DE60100328T2 - Process for the extraction and purification of cyclobutanone - Google Patents
Process for the extraction and purification of cyclobutanoneInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung und Reinigung von Cyclobutanon aus einer Rohproduktmischung, die aus einer Oxidations-Produktmischung erhalten wird, welche aus der Oxidation von Cyclobutanol zu Cyclobutanon resultiert. Spezieller betrifft diese Erfindung die Gewinnung von Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-% durch eine neue Kombination von Destillationsschritten.This invention relates to a process for the recovery and purification of cyclobutanone from a crude product mixture obtained from an oxidation product mixture resulting from the oxidation of cyclobutanol to cyclobutanone. More particularly, this invention relates to the recovery of cyclobutanone with a purity of at least 90 wt.% by a novel combination of distillation steps.
Cyclobutanon ist ein wertvolles organisches Zwischenprodukt, das bei der Herstellung einer Vielfalt von Verbindungen nützlich ist. Siehe z. B. Lee-Ruff, Adv. Strain Org. Chem. (1991), 1, 167, und Bellus et al., Angew. Chem. (1988), 100(6), 820. Cyclobutanon kann durch die Oxidation von Cyclobutanol mit Chromtrioxid und Oxalsäure in Wasser hergestellt werden, wie beispielsweise von Krumpolic und Rocek in Organic Synthesis Collective Volumes, Seiten 114-116, beschrieben. Die Chromtrioxid/Oxalsäure-Oxidation ist relativ unselektiv und erzeugt eine verdünnte, wässrige, rohe Cyclobutanon-Mischung, die viele schwer abzutrennende Verunreinigungen enthält. Typische Verunreinigungen in dem rohen wässrigen Cyclobutanon umfassen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Cyclopropanmethanol, unumgesetztes Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol, 2-Buten-1-ol, Cyclopropancarboxaldehyd, Cyclopropancarbonsäure, Ether und gemischte Ether von Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol, Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol mit Cyclobutanon sowie andere unbekannte Verbindungen mit Siedepunkten, die höher und niedriger als derjenige von Cyclobutanon sind. Viele dieser Verunreinigungen sind Farbkörper und verursachen, dass das Cyclobutanon-Produkt hoch gefärbt ist, falls sie nicht entfernt werden.Cyclobutanone is a valuable organic intermediate useful in the preparation of a variety of compounds. See, e.g., Lee-Ruff, Adv. Strain Org. Chem. (1991), 1, 167, and Bellus et al., Angew. Chem. (1988), 100(6), 820. Cyclobutanone can be prepared by the oxidation of cyclobutanol with chromium trioxide and oxalic acid in water, as described, for example, by Krumpolic and Rocek in Organic Synthesis Collective Volumes, pages 114-116. The chromium trioxide/oxalic acid oxidation is relatively unselective and produces a dilute, aqueous, crude cyclobutanone mixture containing many impurities that are difficult to separate. Typical impurities in the crude aqueous cyclobutanone include, but are not limited to, cyclopropane methanol, unreacted cyclobutanol, 3-buten-1-ol, 2-buten-1-ol, cyclopropane carboxaldehyde, cyclopropane carboxylic acid, ethers and mixed ethers of cyclobutanol, cyclopropane methanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol, hemiketals and ketals of cyclopropane methanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol with cyclobutanone, and other unknown compounds with boiling points higher and lower than that of cyclobutanone. Many of these impurities are color bodies and will cause the cyclobutanone product to be highly colored if not removed.
Krumpolic und Rocek, oben, beschreiben die Extraktion der rohen Cyclobutanon/Wasser-Mischung mit Methylenchlorid und das Trocknen der organischen Phase, die Cyclobutanon und andere organische Verunreinigungen umfasst, über wasserfreiem Magnesiumsulfat, das wasserfreies Kaliumcarbonat enthält. Die getrocknete organische Schicht wird zweimal destilliert, um Methylenchlorid zu entfernen und das Cyclobutanon-Produkt zu gewinnen. Es wird gesagt, dass das Verfahren ein relativ reines Cyclobutanon- Produkt, d. h. 98-99 Gew.-% Cyclobutanon, erzeugt. Jedoch leidet dieses Verfahren unter dem Gesichtspunkt einer praktischen Produktion in großem Maßstab von hochreinem Cyclobutanon unter vielen Nachteilen. Das Extraktionsmittel, Methylenchlorid, ist ziemlich toxisch, sehr flüchtig und ist kostspielig zu handhaben und sicher zu entsorgen. Das oben erwähnte Verfahren gibt die Verwendung von etwa 86 kg Methylenchlorid pro kg erzeugtem Cyclobutanon an. Demgemäß muss die erforderliche Extraktions- und anschließende Destillationsausrüstung relativ zu der erzeugten Menge an Cyclobutanon sehr groß und kostspielig sein. Die Autoren offenbaren, dass Cyclobutanon in Wasser hoch löslich ist und schwierig mit hohen Gewinnungsraten mit Methylenchlorid zu extrahieren ist. Darüber hinaus ist die Gesamtausbeute an Cyclobutanon gering (70-80%), und die Autoren geben keinerlei Methoden an, um in der Nähe siedende Verunreinigungen, wie Crotonaldehyd und Cyclopropancarboxaldehyd, sowie Farbkörper zu entfernen.Krumpolic and Rocek, supra, describe extracting the crude cyclobutanone/water mixture with methylene chloride and drying the organic phase comprising cyclobutanone and other organic impurities over anhydrous magnesium sulfate containing anhydrous potassium carbonate. The dried organic layer is distilled twice to remove methylene chloride and recover the cyclobutanone product. The process is said to produce a relatively pure cyclobutanone product, i.e., 98-99 wt% cyclobutanone. However, from the standpoint of practical large-scale production of high purity cyclobutanone, this process suffers from many disadvantages. The extractant, methylene chloride, is quite toxic, very volatile, and is costly to handle and safely dispose of. The above-mentioned process indicates the use of about 86 kg of methylene chloride per kg of cyclobutanone produced. Accordingly, the extraction and subsequent distillation equipment required must be very large and expensive relative to the amount of cyclobutanone produced. The authors reveal that cyclobutanone is highly soluble in water and difficult to extract with high recovery rates using methylene chloride. In addition, the overall yield of cyclobutanone is low (70-80%) and the authors do not provide any methods to obtain anywhere near to remove boiling impurities such as crotonaldehyde and cyclopropanecarboxaldehyde, as well as color bodies.
Das französische Patent FR 0112261 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Aldehyden oder Ketonen, in dem molekularer Sauerstoff in Verbindung mit einem Bimetall-Katalysator verwendet wird, um oxidativ primäre oder sekundäre mono- oder polyfunktionelle Alkohole, die 2 bis 36 Kohlenstoff-Atome enthalten, zu dehydratisieren. Das gebildete Wasser wird im Verlauf der Reaktion durch azeotrope Destillation unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels entfernt, das auf solche Weise ausgewählt ist, dass: (1) das binäre Azeotrop, welches das Lösungsmittel mit Wasser bildet, einen Siedepunkt von mindestens 50ºC aufweist, (2) der Siedepunkt des Lösungsmittels niedriger ist als der Siedepunkt des zu entwässernden Alkohols und (3) der Siedepunkt des Lösungsmittels niedriger ist als der Siedepunkt von jeglichem binärem Azeotrop, das zwischen dem Alkohol und Wasser sowie dem Alkohol und dem organischen Lösungsmittel selbst gebildet werden kann. Es wird angegeben, dass das organische Lösungsmittel einen Siedepunkt zwischen 50ºC und 200ºC aufweist und aus aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen; Alkyl- oder Alkenylestern von aliphatischen Carbonsäuren, aliphatischen, aromatischen oder cyclischen Ethern; aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Nitrilen; aliphatischen, cycloaliphatischen oder aromatischen Ketonen ausgewählt ist. Weiter muss das zwischen Wasser und dem organischen Lösungsmittel gebildete Azeotrop heterogen sein.French patent FR 0112261 discloses a process for the preparation of aldehydes or ketones in which molecular oxygen is used in conjunction with a bimetallic catalyst to oxidatively dehydrate primary or secondary mono- or polyfunctional alcohols containing 2 to 36 carbon atoms. The water formed is removed in the course of the reaction by azeotropic distillation using an organic solvent selected in such a way that: (1) the binary azeotrope which the solvent forms with water has a boiling point of at least 50°C, (2) the boiling point of the solvent is lower than the boiling point of the alcohol to be dehydrated, and (3) the boiling point of the solvent is lower than the boiling point of any binary azeotrope which may be formed between the alcohol and water and the alcohol and the organic solvent itself. It is specified that the organic solvent has a boiling point between 50ºC and 200ºC and is selected from aliphatic, cycloaliphatic or aromatic hydrocarbons; alkyl or alkenyl esters of aliphatic carboxylic acids, aliphatic, aromatic or cyclic ethers; aliphatic, cycloaliphatic or aromatic nitriles; aliphatic, cycloaliphatic or aromatic ketones. Furthermore, the azeotrope formed between water and the organic solvent must be heterogeneous.
Obwohl die FR 0112261 ein allgemeines Verfahren für die azeotrope destillative Entwässerung von Ketonen bereitstellt, gibt das Patent an, dass ein zusätzliches Lösungsmittel zugesetzt werden muss, um die Entwässerung des Ketons durchzuführen. Darüber hinaus zieht die FR 0112261 keine Verfahren zum Erhalt eines hochreinen Keton-Produkts in Betracht. Es sind keine Verfahren zur Entfernung von unumgesetztem Alkohol-Einspeisungsmaterial, Farbkörpern, anderen hoch und niedrig siedenden oder in der Nähe siedenden Verunreinigungen offenbart, um ein hochreines Keton-Produkt zu erhalten.Although FR 0112261 provides a general process for the azeotropic distillative dehydration of ketones, the patent states that an additional solvent must be added to perform the dehydration of the ketone. Furthermore, FR 0112261 does not consider processes for obtaining a high purity ketone product. No processes are disclosed for removing unreacted alcohol feed material, color bodies, other high and low boiling or near boiling impurities to obtain a high purity ketone product.
Das US-Patent 2,684,934 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von Ketonen, die Wasser und unumgesetztes Alkohol-Ausgangsmaterial enthalten, insbesondere für Methylethylketon (MEK), Methylpropylketon (MPK) und Methylbutylketon (MBK) durch eine Zwei- oder Dreikolonnen- Druckschwingungs-Destillationssequenz. Im Fall von MEK, MPK und MBK variiert die Zusammensetzung des Keton/Wasser-Azeotrops signifikant bei mäßigen Änderungen des Drucks. Dieses Patent erwägt ebenfalls keine Methoden zum Erhalt eines hochreinen Keton-Produkts. Es sind keine Methoden für die Entfernung von Farbkörpern, anderen hoch und niedrig siedenden oder in der Nähe siedenden Verunreinigungen offenbart, um ein hochreines Keton-Produkt zu erhalten.U.S. Patent 2,684,934 discloses a process for purifying ketones containing water and unreacted alcohol starting material, particularly for methyl ethyl ketone (MEK), methyl propyl ketone (MPK) and methyl butyl ketone (MBK) by a two or three column pressure swing distillation sequence. In the case of MEK, MPK and MBK, the composition of the ketone/water azeotrope varies significantly with moderate changes in pressure. This patent also does not contemplate methods for obtaining a high purity ketone product. No methods are disclosed for removing color bodies, other high and low boiling or near boiling impurities to obtain a high purity ketone product.
Das US-Patent 2,684,934 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von Mischungen von MEK und Methylisopropylketon, die Wasser und unumgesetztes Ethanol und Isopropanol enthalten, durch eine Kombination von Schritten mit extraktiver Destillation, Extraktion und azeotroper Destillation mit einem zugesetzten Lösungsmittel. Die rohe wässrige Keton/Alkohol-Einspeisung wird zuerst mit Wasser als dem extraktiven Destillations-Lösungsmittel extraktiv destilliert. Das Kolonnenbasis-Produkt, das unumgesetztes Ethanol, Isopropanol und Wasser umfasst, wird in den Keton-Bildungsschritt zurückgeführt, während das MEK/MIPK/Wasser-Destillatprodukt im Gegenstrom in einer Extraktionskolonne mit n-Hexan in Kontakt gebracht wird. Das wasserreiche Raffinat, das etwas MIPK und MEK umfasst, wird in die extraktive Destillationskolonne zurück geführt. Der Hexan-reiche Extrakt, der das meiste des in den Extraktor eingespeisten MIPK und MEK sowie etwas Wasser umfasst, wird in eine azeotrope Destillationskolonne eingespeist, in der das verbleibende Wasser im Kopf als heterogenes, niedrig siedendes, ternäres Hexan/MEK/Wasser-Azeotrop entnommen wird. Man gestattet die Phasenauftrennung des Azeotrops, dekantiert, und die organisch angereicherte Schicht, die das meiste des MEK und Hexan enthält, wird in den Extraktionsschritt zurück geführt. Die wässrige Schicht der Dekantierung wird in den extraktiven Destillationsschritt zurück geführt. MEK und MIPK werden dann in einem End-Destillationsschritt aufgetrennt.U.S. Patent 2,684,934 discloses a process for purifying mixtures of MEK and methyl isopropyl ketone containing water and unreacted ethanol and isopropanol by a combination of extractive distillation, extraction and azeotropic distillation steps with an added solvent. The crude aqueous ketone/alcohol feed is first extractively distilled with water as the extractive distillation solvent. The column base product comprising unreacted ethanol, isopropanol and water is recycled to the ketone formation step while the MEK/MIPK/water distillate product is contacted with n-hexane countercurrently in an extraction column. The water-rich raffinate containing some MIPK and MEK is returned to the extractive distillation column. The hexane-rich extract, which comprises most of the MIPK and MEK fed to the extractor and some water, is fed to an azeotropic distillation column where the remaining water is removed at the top as a heterogeneous, low boiling ternary hexane/MEK/water azeotrope. The azeotrope is allowed to phase separate, decanted, and the organically enriched layer, which contains most of the MEK and hexane, is returned to the extraction step. The aqueous layer from the decantation is returned to the extractive distillation step. MEK and MIPK are then separated in a final distillation step.
Das US-Patent 4,186,059 beschreibt ein ähnliches Lösungsmittel-unterstütztes azeotropes Destillations- und Extraktionsverfahren für die MEK-Entwässerung unter Verwendung von Toluol als Wasser-Schleppmittel im Destillationsschritt und Kohlenwasserstoff-Wachs als Extraktions-Lösungsmittel. Das französische Patent FR 78 28329 lehrt ähnliche azeotrope Destillationsverfahren für die Entwässerung von MEK unter Verwendung eines leichten Kohlenwasserstoffs als Wasser-Schleppmittel, vorzugsweise n- Pentan. Das sowjetische Patent 1 567 603 lehrt die Verwendung von Diisopropylether als Lösungsmittel für die MEK-Entwässerung.US Patent 4,186,059 describes a similar solvent-assisted azeotropic distillation and extraction process for MEK dehydration using toluene as a water entrainer in the distillation step and hydrocarbon wax as the extraction solvent. French Patent FR 78 28329 teaches similar azeotropic distillation processes for MEK dehydration using a light hydrocarbon as a water entrainer, preferably n-pentane. Soviet Patent 1,567,603 teaches the use of diisopropyl ether as a solvent for MEK dehydration.
Alle diese MEK betreffenden Patente lehren Verfahren, die unnötig kompliziert, teuer und unnotwendig für die Cyclobutanon-Entwässerung sind. Während MEK und Wasser ein niedrig siedendes heterogenes Azeotrop bilden, ist der Flüssig/Flüssig-Bereich klein, mit einer hohen gegenseitigen Löslichkeit von MEK und Wasser. Demgemäß ist MEK kein günstiges Schleppmittel zur Verwendung bei seiner eigenen Entwässerung.All of these MEK-related patents teach processes that are unnecessarily complicated, expensive, and unnecessary for cyclobutanone dehydration. While MEK and water form a low boiling heterogeneous azeotrope, the liquid/liquid region is small, with high mutual solubility of MEK and water. Accordingly, MEK is not a convenient entrainer for use in its own dehydration.
Wir haben ein Verfahren zur Gewinnung von Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-% durch eine neue Kombination von Destillations- und Verarbeitungsschritten entwickelt. Das Reinigungsverfahren der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Gewinnung von Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-% aus einer Rohproduktmischung, die Cyclobutanon, Wasser und eine Mehrzahl von anderen organischen Verbindungen umfasst, welche aus der Oxidation von Cyclobutanol in Wasser resultieren, durch die Schritte, welche umfassen:We have developed a process for recovering cyclobutanone having a purity of at least 90 wt.% by a novel combination of distillation and processing steps. The purification process of the present invention involves a process for recovering cyclobutanone having a purity of at least 90 wt.% from a crude product mixture comprising cyclobutanone, water and a plurality of other organic compounds resulting from the oxidation of cyclobutanol in water by the steps comprising:
(1) Destillieren der Rohproduktmischung, um (i) ein Destillat, das Cyclobutanon, Wasser, Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol, 2-Buten-1-ol, Cyclopropancarboxaldehyd, Ether und gemischte Ether von Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol und Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol mit Cyclobutanon umfasst; und (ii) einen Destillationsrückstand zu erhalten, der Wasser, Metallsalze und hochsiedende organische Verbindungen, wie γ-Butyrolacton, Cyclopropancarbonsäure und Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol mit Cyclobutanon umfasst;(1) distilling the crude product mixture to produce (i) a distillate comprising cyclobutanone, water, cyclopropane methanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol, 2-buten-1-ol, cyclopropanecarboxaldehyde, ethers and mixed ethers of cyclobutanol, cyclopropane methanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol and hemiketals and ketals of cyclopropane methanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol with cyclobutanone; and (ii) to obtain a distillation residue comprising water, metal salts and high boiling organic compounds such as γ-butyrolactone, cyclopropanecarboxylic acid and hemiketals and ketals of cyclopropanemethanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol with cyclobutanone;
(2) Gestatten, dass sich die resultierende Mischung in (i) eine organische Phase, die eine geringere Menge des Cyclobutanons, das in dem Destillat enthalten ist, und eine Hauptmenge an Verunreinigungen, die in Wasser weniger löslich sind als Cyclobutanon, wie Ether, Ketale und Farbkörper, umfasst; und (ii) eine wässrige Phase auftrennt, die Wasser, eine Hauptmenge des Cyclobutanons, das in dem Destillat enthalten ist, eine geringere Menge an hydrophileren Verunreinigungen, wie Alkoholen und Cyclopropancarboxaldehyd, umfasst;(2) allowing the resulting mixture to separate into (i) an organic phase comprising a minor amount of the cyclobutanone contained in the distillate and a major amount of impurities less soluble in water than cyclobutanone, such as ethers, ketals and color bodies; and (ii) an aqueous phase comprising water, a major amount of the Cyclobutanone contained in the distillate comprises a minor amount of more hydrophilic impurities such as alcohols and cyclopropanecarboxaldehyde;
(3) Destillieren der wässrigen Phase aus Schritt (2), um (i) eine geringere Menge an Destillat, das niedrig siedende Azeotrope umfasst, weiche Wasser und organische Verunreinigungen in der wässrigen Phase umfassen, (ii) eine Hauptmenge an Destillat, das ein Azeotrop von Wasser und Cyclobutanon umfasst, um (iii) einen Destillationsrückstand zu erhalten, der Wasser, Cyclopropancarbonsäure, γ-Butyrolacton, Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, gemischte Ether der Alkohole und Ketale, die aus den Reaktionen zwischen Ethern und Alkoholen gebildet werden, umfasst;(3) distilling the aqueous phase from step (2) to obtain (i) a minor amount of distillate comprising low boiling azeotropes comprising water and organic impurities in the aqueous phase, (ii) a major amount of distillate comprising an azeotrope of water and cyclobutanone, to obtain (iii) a distillation residue comprising water, cyclopropanecarboxylic acid, γ-butyrolactone, cyclobutanol, cyclopropanemethanol, mixed ethers of alcohols and ketals formed from the reactions between ethers and alcohols;
(4) Gestatten, dass das Destillat (ii) aus Schritt (3) sich in (i) eine Cyclobutanon-reiche organische Phase, die Cyclobutanon, Wasser und einen oder mehrer Aldehyde mit Siedepunkten in der Nähe von demjenigen von Cyclobutanon umfasst, und (ii) eine wässrige Phase auftrennt, die Cyclobutanon und Wasser umfasst; und(4) allowing the distillate (ii) from step (3) to separate into (i) a cyclobutanone-rich organic phase comprising cyclobutanone, water and one or more aldehydes having boiling points near that of cyclobutanone, and (ii) an aqueous phase comprising cyclobutanone and water; and
(5) Destillieren der organischen Phase (i) aus Sehritt (4), um (i) ein erstes Destillat, das ein Azeotrop von Wasser und Cyclobutanon umfasst, (ii) ein zweites Destillat, das Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 90% umfasst, und (iii) einen Destillationsrückstand zu erhalten, der Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, gemischte Ether der Alkohole und Ketale, die durch Reaktionen zwischen Ethern und Alkoholen gebildet werden, umfasst.(5) distilling the organic phase (i) from step (4) to obtain (i) a first distillate comprising an azeotrope of water and cyclobutanone, (ii) a second distillate comprising cyclobutanone having a purity of at least 90%, and (iii) a distillation residue comprising cyclobutanol, cyclopropanemethanol, mixed ethers of alcohols and ketals formed by reactions between ethers and alcohols.
Das Cyclobutanon-Produkt kann einen unannehmbar hohen Gehalt an Aldehyden, z. B. Cyclopropancarboxaldehyd und cis/trans-Crotonaldehyd enthalten, da derartige Verbindungen schwierig bei dem Reinigungsverfahren zu entfernen sind. So kann das oben beschriebene fünfstufige Reinigungsverfahren einen Aldehyd-Umwandlungsschritt einschließen, in dem den Destillationen der Schritte (3) und/oder (5) eine Aldehyd-Umwandlung vorangestellt wird, in der das in den Schritten (3) und/oder (5) zu destillierende Material mit einem Material behandelt wird, das den Aldehyd in eine andere Verbindung oder andere Verbindungen umwandelt, die Siedepunkte aufweisen, welche höher als diejenigen der anderenfalls schwierig abzutrennenden Aldehyde sind. Dieser Hilfsschritt veranlasst, dass der bzw. die vorhandene(n) Aldehyd(e) in Produkte umgewandelt wird bzw. werden, die höhere Siedepunkte aufweisen und deshalb leicht vom Cyclobutanon abgetrennt werden.The cyclobutanone product may contain unacceptably high levels of aldehydes, e.g., cyclopropanecarboxaldehyde and cis/trans-crotonaldehyde, since such compounds are difficult to remove in the purification process. Thus, the five-step purification process described above may include an aldehyde conversion step in which the distillations of steps (3) and/or (5) are preceded by an aldehyde conversion in which the material to be distilled in steps (3) and/or (5) is treated with a material which converts the aldehyde to another compound or compounds having boiling points higher than those of the otherwise difficult-to-separate aldehydes. This auxiliary step causes the aldehyde(s) present to be converted to products having higher boiling points and therefore easily separated from the cyclobutanone.
Eine weitere Variante der vorliegenden Erfindung stellt die Zugabe eines äußeren, inerten (unreaktiven) Azetrop-bildenden Lösungsmittels zu dem in Schritt (5) destillierten Material bereit. Noch eine weitere Variante verwendet einen Druckunterschied bei den Destillationen der Schritte (3) und (5).Another variation of the present invention provides for the addition of an external, inert (unreactive) azeotrope-forming solvent to the material distilled in step (5). Yet another variation uses a pressure differential in the distillations of steps (3) and (5).
Im ersten Schritt des Reinigungsverfahrens, das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, wird rohes wässriges Cyclobutanon aus einer Rohproduktmischung abdestilliert, die Cyclobutanon, Wasser und eine Mehrzahl anderer organischer Verbindungen umfasst, welche aus der Oxidation von Cyclobutanol in Wasser herstammen. Ein Beispiel für die Oxidation von Cyclobutanol zu Cyclobutanon in Wasser ist von Krumpolic und Rocek, oben, beschrieben, die Cyclobutanon mit Chromtrioxid und Oxalsäure in Anwesenheit von Wasser zu Cyclobutanon oxidierten. Diese Rohproduktmischung umfasst typisch etwa 2 bis 20 Gew.-% Cyclobutanon, etwa 70 bis 97 Gew.-% Wasser und etwa 0,2 bis 10 Gew.-% Verunreinigungen, einschließlich Katalysatorrückständen, unumgesetzten Cyclobutanols und einer Mehrzahl von Nebenprodukten. Das Destillat aus dem ersten Schritt umfasst Cyclobutanon, Wasser, Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol, 2-Buten-1-ol, Cyclopropancarboxaldehyd, Ether und gemischte Ether von Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol und Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol mit Cyclobutanon. Der Destillationsrückstand (undestilliertes Material) umfasst Wasser, Metallsalze, z. B. Chromsalze, die aus der Verwendung einer Chromverbindung bei der Synthese des Cyclobutanons abstammen, hochsiedende organische Verbindungen, z. B. γ-Butyrolacton, Ether und gemischte Ether von Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol und Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol und schwere Säuren, z. B. Oxalsäure, und Cyclopropancarbonsäure.In the first step of the purification process provided by the present invention, crude aqueous cyclobutanone is distilled from a crude product mixture comprising cyclobutanone, water and a plurality of other organic compounds resulting from the oxidation of cyclobutanol in water. An example of the oxidation of cyclobutanol to cyclobutanone in water is described by Krumpolic and Rocek, supra, who oxidized cyclobutanone with chromium trioxide and oxalic acid in the presence of water to cyclobutanone. This crude product mixture typically comprises about 2 to 20 wt.% cyclobutanone, about 70 to 97 wt.% water and about 0.2 to 10 wt.% Impurities including catalyst residues, unreacted cyclobutanol and a variety of by-products. The distillate from the first step comprises cyclobutanone, water, cyclopropanemethanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol, 2-buten-1-ol, cyclopropanecarboxaldehyde, ethers and mixed ethers of cyclobutanol, cyclopropanemethanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol and hemiketals and ketals of cyclopropanemethanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol with cyclobutanone. The distillation residue (undistilled material) comprises water, metal salts e.g. chromium salts resulting from the use of a chromium compound in the synthesis of the cyclobutanone, high boiling organic compounds e.g. B. γ-butyrolactone, ethers and mixed ethers of cyclobutanol, cyclopropane methanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol and hemiketals and ketals of cyclopropane methanol, cyclobutanol and heavy acids, e.g. oxalic acid and cyclopropanecarboxylic acid.
Der erste Schritt wird durchgeführt, indem man die rohe Oxidationsmischung auf ihren Siedepunkt erwärmt, gefolgt von der Sammlung und Kondensation von entwickelten Dämpfen. Es ist wünschenswert, dass der erste Destillationsschritt im Wesentlichen alles Cyclobutanon in der rohen Reaktionsmischung entfernt und eine Konzentration des Cyclobutanons in dem Dampfkondensat bewirkt. Viele der organischen Verunreinigungen, die in der Rohproduktmischung vorliegen, bilden niedrig siedende Azeotrope mit Wasser und neigen dazu, während des ersten Destillationsschritts mit dem Cyclobutanon zum Destillationskopf getragen zu werden. Eine Anzahl dieser Verunreinigungen ist hoch gefärbt und verursacht die Färbung des End-Cyclobutanon-Produkts, falls sie nicht wirksam entfernt wird. Wir haben jedoch gefunden, dass diese Verunreinigungen im Allgemeinen in Wasser viel weniger löslich als in Cyclobutanon sind. Obwohl sich das binäre System Cyclobutanon/Wasser bei Konzentrationen über 20 Gew.-% Cyclobutanon in zwei flüssige Phasen auftrennt, trennt sich wegen der Anwesenheit von hydrophoben Verunreinigungen ein typisches rohes Cyclobutanon-Kondensat aus der Destillation des Schritts (1) bei viel niedrigeren Konzentrationen von Cyclobutanon, z. B. so niedrig wie etwa 1 bis 2 Gew.-% Cyclobutanon, in zwei flüssige Phasen. Der größte Teil des Cyclobutanons liegt in der wässrigen Schicht vor, wohingegen die hydrophoberen Verunreinigungen die Tendenz aufweisen, sich in der organischen Schicht zu konzentrieren. Auf diese Weise können viele der schweren Verunreinigungen leicht aus der rohen wässrigen Cyclobutanon-Mischung vor der weiteren Destillation entfernt werden, während man immer noch eine hohe Gewinnung von Cyclobutanon aufrechterhält.The first step is carried out by heating the crude oxidation mixture to its boiling point, followed by collection and condensation of evolved vapors. It is desirable that the first distillation step remove substantially all of the cyclobutanone in the crude reaction mixture and effect concentration of the cyclobutanone in the vapor condensate. Many of the organic impurities present in the crude product mixture form low boiling azeotropes with water and tend to be carried to the distillation head with the cyclobutanone during the first distillation step. A number of these impurities are highly colored and will cause coloration of the final cyclobutanone product if not effectively removed. However, we have found that these impurities are generally much less soluble in water than in cyclobutanone. Although the cyclobutanone/water binary system separates into two liquid phases at concentrations above 20 wt% cyclobutanone, due to the presence of hydrophobic impurities, a typical crude cyclobutanone condensate from the distillation of step (1) separates into two liquid phases at much lower concentrations of cyclobutanone, e.g. as low as about 1 to 2 wt% cyclobutanone. Most of the cyclobutanone is present in the aqueous layer, whereas the more hydrophobic impurities tend to concentrate in the organic layer. In this way, many of the heavy impurities can be easily removed from the crude aqueous cyclobutanone mixture prior to further distillation while still maintaining a high recovery of cyclobutanone.
Die Konzentration von Cyclobutanon in dem kondensierten Destillat aus Schritt (1) liegt typisch im Bereich von 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 12 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des kondensierten Destillats. Dieser Konzentrationsbereich maximiert die Gewinnung von Cyclobutanon in der wässrigen Phase, während er die Coextraktion von Verunreinigungen minimiert. Falls erforderlich, kann die Konzentration von Cyclobutanon in dem kondensierten Destillat durch die Zugabe von frischem Wasser auf 2 bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 4 bis 12 Gew.-%, eingestellt werden. Im Allgemeinen sind ein oder mehrere Gleichgewichts-Trennungsstufen ausreichend, um die gewünschte Konzentration im Entspannungsdestillationsschritt zu erzielen.The concentration of cyclobutanone in the condensed distillate from step (1) is typically in the range of 2 to 20 wt.%, preferably 4 to 12 wt.%, based on the total weight of the condensed distillate. This concentration range maximizes the recovery of cyclobutanone in the aqueous phase while minimizing co-extraction of impurities. If necessary, the concentration of cyclobutanone in the condensed distillate can be adjusted to 2 to 20 wt.%, preferably 4 to 12 wt.%, by the addition of fresh water. Generally, one or more equilibrium separation stages are sufficient to achieve the desired concentration in the flash distillation step.
Die organische und die wässrige Phase, die bei der Kondensation des Destillats aus dem ersten Schritt gebildet wird, werden getrennt, und die wässrige Schicht wird für nachfolgende destillative Reinigungsschritte aufbewahrt. Die organische Schicht kann weiter mit frischem Wasser entweder im Kreuzstrom- oder Vielstufen-Gegenstrom-Extraktionsmodus extrahiert werden, um zusätzliches Cyclobutanon aus den unerwünschten Verunreinigungen zu extrahieren, was die Gewinnungsrate verbessert. Typisch sind 1 bis 8 Stufen, bevorzugter 2 bis 6 Stufen einer Kreuzstrom- oder Gegenstrom- Extraktion ausreichend, um den größten Teil des Cyclobutanons aus der organischen Phase zu gewinnen. Das bevorzugte Gewichtsverhältnis Wasser- zu organischer Phase liegt im Bereich von 1 : 4 bis 5 : 1, bevorzugter 0,5 : 1 bis 2 : 1. Alle wäßrigen Extraktphasen aus jedem Extraktionsschritt werden mit der wässrigen Schicht aus dem Destillationsschritt (1) für eine nachfolgende Gewinnung und Reinigung von Cyclobutanon vereinigt. Die Raffinatphase, die hauptsächliche organische Verunreinigungen enthält, wird als Abfallstrom verworfen.The organic and the aqueous phase formed during the condensation of the distillate from the first step are separated and the aqueous layer is kept for subsequent distillative purification steps. The organic layer can be further purified with fresh water either in Cross-current or multi-stage counter-current extraction mode to extract additional cyclobutanone from the undesirable impurities, improving the recovery rate. Typically 1 to 8 stages, more preferably 2 to 6 stages of cross-current or counter-current extraction are sufficient to recover most of the cyclobutanone from the organic phase. The preferred water to organic phase weight ratio is in the range of 1:4 to 5:1, more preferably 0.5:1 to 2:1. All aqueous extract phases from each extraction step are combined with the aqueous layer from distillation step (1) for subsequent recovery and purification of cyclobutanone. The raffinate phase, which contains major organic impurities, is discarded as a waste stream.
Die wässrige Schicht aus dem Entspannungs-Destillationsschritt wird in einer zweistufigen azeotropen Destillationsfolge mit einem dazwischen liegenden Dekantierungsschritt, d. h. den oben beschriebenen Schritten (3), (4) und (5), weiterverarbeitet. Diese Destillationsfolge dient dazu, Wasser, Alkohole, Hoch- und Niedrigsieder zu entfernen und kann Cyclobutanon mit einer Reinheit gleich oder größer als 90 Gew.-%, vorzugsweise größer als 95 Gew.-%, bevorzugter größer als 99 Gew.-% erzeugen. Cyclobutanon selbst wird als Entwässerungsmittel verwendet, um Wasser aus der Mischung zu entfernen. Die Zweikolonnen-Folge kann mit gleicher Wirksamkeit auf Chargen- oder kontinuierliche Weise betrieben werden.The aqueous layer from the flash distillation step is further processed in a two-stage azeotropic distillation sequence with an intermediate decantation step, i.e., steps (3), (4) and (5) described above. This distillation sequence serves to remove water, alcohols, high and low boilers and can produce cyclobutanone with a purity equal to or greater than 90 wt.%, preferably greater than 95 wt.%, more preferably greater than 99 wt.%. Cyclobutanone itself is used as a dehydrating agent to remove water from the mixture. The two-column sequence can be operated in a batch or continuous manner with equal effectiveness.
Im dritten Schritt unseres neuen Reinigungsverfahrens wird die wässrige Phase aus dem ersten Destillationsschritt in eine erste Destillationsblase eingeführt und destilliert, um zuerst eine geringere Menge an Destillat zu ergeben, die gesammelt wird, um niedrig siedende Verbindungen und niedrig siedende Organisch/Wasser-Azeotrope zu entfernen. Der Vorlauf beträgt typisch 0,1 bis 0,6 Gew.-%, typischer 0,1 bis 0,3 Gew.-% der anfänglichen Beschickung der Destillationsblase. Die Kopftemperatur beträgt bei der Sammlung des Vorlaufs typisch 2 bis 4ºC weniger als der Siedepunkt des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops. Die tatsächliche Kopftemperatur hängt natürlich von dem Betriebsdruck der Kolonne ab. So beträgt die Kopftemperatur beispielsweise bei 740 Torr etwa 78 bis 81ºC.In the third step of our new purification process, the aqueous phase from the first distillation step is introduced into a first still and distilled to first yield a smaller amount of distillate which is collected to remove low boiling compounds and low boiling organic/water azeotropes. The foreshot is typically 0.1 to 0.6 wt%, more typically 0.1 to 0.3 wt% of the initial feed to the still. The head temperature when the foreshot is collected is typically 2 to 4ºC less than the boiling point of the cyclobutanone/water azeotrope. The actual head temperature will of course depend on the operating pressure of the column. For example, at 740 Torr, the head temperature is about 78 to 81ºC.
Wenn die Kopftemperatur der Destillationskolonne des Schritts (3) sich dem Siedepunkt des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops annähert, d. h. weniger als etwa 2ºC davon entfernt ist, wird mit der Sammlung der Produktfraktion, d. h. des Destillats (ii) von Schritt (3), begonnen. Die Zusammensetzung der Produktfraktion ist im Wesentlichen diejenige des Wasser/Cyclobutanon-Azeotrops, d. h. etwa 80 Gew.-% Cyclobutanon. Die Sammlung dieser Produktfraktion wird fortgesetzt, bis das Cyclobutanon im Wesentlichen aus der Destillationsblase entfernt ist. Während das Cyclobutanon/Wasser-Azeotrope im Kopf abdestilliert wird, bleibt die Kopftemperatur der Destillationskolonne im Wesentlichen konstant beim Siedepunkt des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops. So ist beispielsweise bei etwa 740 Torr Säulendruck die Kopftemperatur etwa 82 bis 83ºC. Wenn die Destillation fortgesetzt wird, nachdem die Kopftemperatur signifikant über diejenige des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops angestiegen ist, werden die höher siedenden Verunreinigungen, z. B. Cyclobutanol und Cyclopropanmethanol, und wesentliche Mengen an Wasser am Kopf abdestilliert und verunreinigen die Destillat-Produktfraktion. Es wird bevorzugt, dass die Destillation beendet wird, nachdem die Temperatur 1, aber nicht mehr als 15ºC, bevorzugter 2, aber nicht mehr als 8ºC, und am bevorzugtesten 2 bis nicht mehr als 5ºC über den Siedepunkt des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops beim Kolonnen-Betriebsdruck angestiegen ist.When the distillation column overhead temperature of step (3) approaches, i.e., is less than about 2°C from, the boiling point of the cyclobutanone/water azeotrope, collection of the product fraction, i.e., distillate (ii) of step (3), is commenced. The composition of the product fraction is substantially that of the water/cyclobutanone azeotrope, i.e., about 80% by weight cyclobutanone. Collection of this product fraction is continued until the cyclobutanone is substantially removed from the still. While the cyclobutanone/water azeotrope is distilling off in the overhead, the distillation column overhead temperature remains substantially constant at the boiling point of the cyclobutanone/water azeotrope. For example, at about 740 torr column pressure, the overhead temperature is about 82 to 83°C. If distillation is continued after the overhead temperature has risen significantly above that of the cyclobutanone/water azeotrope, the higher boiling impurities, e.g. cyclobutanol and cyclopropanemethanol, and substantial amounts of water will distill off at the overhead and contaminate the distillate product fraction. It is preferred that distillation be terminated after the temperature has risen to 1 but not more than 15°C, more preferably 2 but not more than 8ºC, and most preferably 2 to not more than 5ºC above the boiling point of the cyclobutanone/water azeotrope at the column operating pressure.
Der Destillationsrückstand (iii) aus Schritt (3) enthält typisch hochsiedende Verunreinigungen, wie Cyclopropancarbonsäure, γ-Butyrolacton, Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, gemischte Ether der Alkohole und Ketale, die aus Reaktionen zwischen Ethern und Alkoholen gebildet werden, sowie eventuell verbleibendes Cyclobutanon. Es ist vorteilhaft, den ersten azeotropen Destillationsschritt in einer Kolonne mit genügend Gleichgewichtsstufen und auseichendem Rückfluss zu betreiben, um die Alkohol/Wasser- Azeotrope im Wesentlichen von dem Cyclobutanon/Wasser-Azeotrop abzutrennen. Wenn man gestattet, dass diese Verunreinigungen mit dem Cyclobutanon zusammen abdestillieren, tendieren sie dazu, im Sumpf der zweiten Destillationssäule zu akkumulieren. Hohe Konzentrationen an Alkoholen, z. B. Cyclobutanol und Cyclopropanmethanol, am Boden der zweiten Kolonne fördern Verluste von Cyclobutanon an Hemiketale und Ketale und führen auch zur Wasserentwicklung. Stringente Wasserspezifikationen für das Produkt Cyclobutanon sind dann schwierig zu erfüllen. Die Kolonne sollte mindestens fünf Gleichgewichtsstufen, bevorzugter mindestens 10 Gleichgewichtsstufen enthalten, wenn die Cyclobutanol- und Cyclopropanmethanol-Konzentrationen in der Einspeisung der Kolonne gering sind, d. h. weniger als 0,005 Gew.-%. Die Kolonne sollte mindestens 10 Gleichgewichtsstufen, bevorzugter mindestens 15 Gleichgewichtsstufen enthalten, wenn die Cyclobutanol- und Cyclopropanmethanol- Konzentration in der Einspeisung der Kolonne hoch sind, d. h. größer als 0,005 Gew.-%. Das bevorzugte Rückflussverhältnis hängt natürlich von der Zahl der Gleichgewichtsstufen und der Konzentration der Alkohole ab, aber ein Verhältnis von 2 : 1 bis 10 : 1, bevorzugt 2 : 1 bis 7 : 1, ist gewöhnlich ausreichend. Die Destillation kann durchwegs bei einem konstanten Rückflussverhältnis durchgeführt werden oder kann mit einer variablen Rückflusspraxis auf eine in der Technik wohlbekannte Weise betrieben werden. Wenn genügend Stufen und ein ausreichendes Rückflussverhältnis vorgesehen sind, kann der größte Teil der Alkohole und anderer schwerer Verunreinigungen wirksam abgetrennt werden und bei dem Wasser verbleiben, das in der Destillationsblase zurückbleibt. Typische Betriebsdrücke sind 100 bis 200 Torr (0,013 bis 0,4 MPa), vorzugsweise 380 bis 1520 Torr (0,05 bis 0,2 MPa).The distillation residue (iii) from step (3) typically contains high boiling impurities such as cyclopropanecarboxylic acid, γ-butyrolactone, cyclobutanol, cyclopropanemethanol, mixed ethers of alcohols and ketals formed from reactions between ethers and alcohols, and any remaining cyclobutanone. It is advantageous to operate the first azeotropic distillation step in a column with sufficient equilibrium stages and sufficient reflux to substantially separate the alcohol/water azeotropes from the cyclobutanone/water azeotrope. If these impurities are allowed to co-distill with the cyclobutanone, they tend to accumulate in the bottom of the second distillation column. High concentrations of alcohols, e.g. B. Cyclobutanol and cyclopropane methanol, at the bottom of the second column promote losses of cyclobutanone to hemiketals and ketals and also lead to water evolution. Stringent water specifications for the product cyclobutanone are then difficult to meet. The column should contain at least five equilibrium stages, more preferably at least 10 equilibrium stages if the cyclobutanol and cyclopropane methanol concentrations in the column feed are low, i.e. less than 0.005 wt.%. The column should contain at least 10 equilibrium stages, more preferably at least 15 equilibrium stages if the cyclobutanol and cyclopropane methanol concentrations in the column feed are high, i.e. greater than 0.005 wt.%. The preferred reflux ratio will, of course, depend on the number of equilibrium stages and the concentration of the alcohols, but a ratio of 2:1 to 10:1, preferably 2:1 to 7:1, is usually sufficient. The distillation may be carried out at a constant reflux ratio throughout or may be operated with a variable reflux practice in a manner well known in the art. If sufficient stages and a sufficient reflux ratio are provided, most of the alcohols and other heavy impurities can be effectively separated and left with the water remaining in the still. Typical operating pressures are 100 to 200 Torr (0.013 to 0.4 MPa), preferably 380 to 1520 Torr (0.05 to 0.2 MPa).
Schritt (3) ist oben im Zusammenhang mit einem Chargenbetrieb beschrieben worden. Jedoch ist es für den Fachmann offenkundig, dass Schritt (3) im kontinuierlichen Modus durchgeführt werden kann, wobei die Destillate (1) und (ii) und der Rückstand (iii) gleichzeitig aus einer Destillationskolonne entfernt werden. Beispielsweise kann der kontinuierliche Betrieb des Schritts (3) die Einspeisung der wässrigen Phase aus Schritt (2) in eine Destillationskolonne und die Entfernung aus der Kolonne (i) einer geringen Menge an Destillat, z. B. von der Seite des oberen Abschnitts der Kolonne, das niedrig siedende Azeotrope umfasst, die Wasser und organische Verunreinigungen in der wässrigen Phase umfassen, (ii) einer Hauptmenge des Destillats, z. B. aus dem obersten oder einem oberen Abschnitt der Kolonne, die ein Azeotrop von Wasser und Cyclobutanon umfasst, und (iii) eines Kolonnen-Unterlaufprodukts umfassen, z. B. eines flüssigen Destillationsrückstands, der aus dem Boden der Kolonne entfernt wird und Wasser, Cyclopropancarbonsäure, γ-Butyrolacton, Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, gemischte Ether der Alkohole und Ketale, die aus Reaktionen zwischen Ethern und Alkoholen gebildet werden, umfasst.Step (3) has been described above in the context of a batch operation. However, it will be apparent to those skilled in the art that step (3) can be carried out in continuous mode, wherein the distillates (1) and (ii) and the residue (iii) are simultaneously removed from a distillation column. For example, continuous operation of step (3) can comprise feeding the aqueous phase from step (2) to a distillation column and removing from the column (i) a minor amount of distillate, e.g. from the side of the upper section of the column, comprising low boiling azeotropes comprising water and organic impurities in the aqueous phase, (ii) a major amount of distillate, e.g. from the top or an upper section of the column, comprising an azeotrope of water and cyclobutanone, and (iii) a column underflow product, e.g. B. a liquid distillation residue removed from the bottom of the column and comprising water, cyclopropanecarboxylic acid, γ-butyrolactone, cyclobutanol, cyclopropanemethanol, mixed ethers of alcohols and ketals formed from reactions between ethers and alcohols.
Wenn genügend Stufen und ein ausreichendes Rückflussverhältnis vorgesehen sind, so dass die Zusammensetzung der Produktfraktion im Wesentlichen diejenige des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops ist, trennt sich die Produktfraktion leicht in zwei flüssige Phasen. Die obere organische Phase, d. h. die Phase (i) von Schritt (4), die etwa 96 Gew.-% Cyclobutanon, etwa 4 Gew.-% Wasser und weniger als etwa 1 bis 2 Gew.-% organische Verunreinigungen enthält, wird in Schritt (5) einer weiteren Verarbeitung unterzogen. Die unter Wasserphase, d. h. die Phase (ii) von Schritt (4), die etwa 20 Gew.-% Cyclobutanon umfasst, kann in nachfolgende Destillationen des Schritts (3) zurückgeführt werden, um die Gesamt- Cyclobutanon-Gewinnung zu erhöhen, oder sie kann verworfen werden, wie gewünscht. Es ist vorzuziehen, die wässrige Schicht zurückzuführen.If sufficient stages and a sufficient reflux ratio are provided so that the composition of the product fraction is essentially that of the cyclobutanone/water azeotrope, the product fraction readily separates into two liquid phases. The upper organic phase, i.e., phase (i) of step (4), which contains about 96 wt.% cyclobutanone, about 4 wt.% water, and less than about 1 to 2 wt.% organic impurities, is subjected to further processing in step (5). The lower water phase, i.e., phase (ii) of step (4), which contains about 20 wt.% cyclobutanone, may be recycled to subsequent distillations of step (3) to increase the overall cyclobutanone recovery, or it may be discarded, as desired. It is preferable to recycle the aqueous layer.
Der Schritt (5) unseres neuen Verfahrens beinhaltet die Destillation der organischen Phase (i) aus Schritt (4), um Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 99%, vorzugsweise mindestens 99,5%, zu erhalten. Im Schritt (5) wird eine erste Destillatfraktion bei einer Kolonnenkopf-Temperatur von etwa derjenigen des Siedepunkts des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops gesammelt. So ist beispielsweise bei etwa 740 Torr Kolonnendruck die Kopftemperatur etwa 82 bis 83ºC. Die Zusammensetzung der ersten Destillatfraktion ist im Wesentlichen diejenige des Wasser/Cyclobutanon-Azeotrops (etwa 80 Gew.-% Cyclobutanon). Die erste Destillatfraktion trennt sich beim Stehen in zwei flüssige Phasen. Die wässrige Schicht kann in den Schritt (3) zurückgeführt werden, und die organische Schicht in den Schritt (5). Die Sammlung der ersten Destillatfraktion wird fortgesetzt, bis Wasser im Wesentlichen aus dem Material, das in die Destillationsblase eingespeist wurde, entfernt ist, z. B. Wasser entfernt ist, bis das in die Destillationsblase eingespeiste Material weniger als etwa 1 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,4 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,3 Gew.-% Wasser enthält. Da der Wassergehalt des Materials, das destilliert wird, unter die Zusammensetzung des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops fällt, steigt die Kolonnenkopf- Temperatur allmählich bis zum Siedepunkt von reinem Cyclobutanon, d. h. 98-99ºC bei 760 Torr, an.Step (5) of our new process involves distilling the organic phase (i) from step (4) to obtain cyclobutanone having a purity of at least 99%, preferably at least 99.5%. In step (5) a first distillate fraction is collected at a column head temperature of about that of the boiling point of the cyclobutanone/water azeotrope. For example, at about 740 Torr column pressure the head temperature is about 82-83°C. The composition of the first distillate fraction is essentially that of the water/cyclobutanone azeotrope (about 80 wt% cyclobutanone). The first distillate fraction separates into two liquid phases upon standing. The aqueous layer can be recycled to step (3) and the organic layer to step (5). The collection of the first distillate fraction is continued until water is substantially removed from the material fed to the still, e.g., water is removed until the material fed to the still contains less than about 1 wt.%, preferably less than 0.4 wt.%, preferably less than 0.3 wt.% water. As the water content of the material being distilled falls below the composition of the cyclobutanone/water azeotrope, the column top temperature gradually increases to the boiling point of pure cyclobutanone, i.e., 98-99°C at 760 torr.
Wenn die Kolonnenkopf-Temperatur sich stark dem Siedepunkt von reinem Cyclobutanon nähert, d. h. weniger als etwa 1ºC davon entfernt ist, wird mit der Sammlung der Produktfraktion begonnen. Die Zusammensetzung der Produktfraktion ist im wesentlichen diejenige von reinem Cyclobutanon. Während das Cyclobutanon-Produkt im Kopf abdestilliert wird, verbleibt die Kopftemperatur der Destillationsapparatur im Wesentlichen beim Siedepunkt von reinem Cyclobutanon konstant. So beträgt beispielsweise bei einem Kolonnendruck von 740 Torr die Kopftemperatur 96 bis 97ºC. Wenn die Destillation fortgesetzt wird, nachdem die Kopftemperatur wesentlich über diejenige von reinem Cyclobutanon angestiegen ist, werden die höher siedenden Verunreinigungen, z. B. Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, Ketale und Ether, in den Kopf getragen und verunreinigen die Destillat-Produktfraktion. Es ist vorzuziehen, die Destillation zu beenden, nachdem die Kopftemperatur 0,1, aber nicht mehr als 6ºC, bevorzugter 0,2, aber nicht mehr als 4ºC, und am bevorzugtesten 0,2, aber nicht mehr als 2,5ºC über den Siedepunkt des reinen Cyclobutanons beim Säulen-Betriebsdruck angestiegen ist.When the column head temperature approaches the boiling point of pure cyclobutanone, i.e., less than about 1ºC, collection of the product fraction is begun. The composition of the product fraction is essentially that of pure cyclobutanone. While the cyclobutanone product is distilled off in the head, the head temperature of the distillation apparatus remains essentially constant at the boiling point of pure cyclobutanone. For example, at a column pressure of 740 torr, the head temperature is 96 to 97ºC. If distillation is continued after the head temperature has risen significantly above that of pure cyclobutanone, the higher boiling impurities, e.g., cyclobutanol, cyclopropane methanol, ketals and ethers, are carried into the head and contaminate the distillate product fraction. It is preferable to terminate the distillation after the head temperature has risen 0.1 but not more than 6ºC, more preferably 0.2 but not more than 4ºC, and most preferably 0.2 but not more than 2.5ºC above the boiling point of the pure cyclobutanone at the column operating pressure.
Die Destillationskolonne des Schritts (5) sollte mindestens 8 Gleichgewichtsstufen, vorzugsweise mindestens 12 Gleichgewichtsstufen enthalten. Das bevorzugte Rückflussverhältnis hängt natürlich von der Zahl der Gleichgewichtsstufen ab, aber ein Verhältnis von 2 : 1 bis 12 : 1, bevorzugt 2 : 1 bis 8 : 1, ist im allgemeinen ausreichend. Die Destillation kann durchwegs bei einem konstanten Rückflussverhältnis durchgeführt oder mit einer variablen Rückflusspraxis auf in der Technik wohlbekannte Weise betrieben werden. Typische Betriebsdrücke betragen 100 bis 3000 Torr (0,013 bis 0,4 MPa). Typischere Drücke sind 380 bis 1520 Torr (0,05 bis 0,2 MPa). Wenn genügend Stufen und ein ausreichendes Rückflussverhältnis vorgesehen sind und anderen Aspekten dieser Erfindung gefolgt wird, sind ohne weiteres Cyclobutanon- Produktreinheiten von mehr als 90 Gew.-%, typischer mehr als 95 Gew.-% und am bevorzugtesten mehr als 99 Gew.-% erzielbar.The distillation column of step (5) should contain at least 8 equilibrium stages, preferably at least 12 equilibrium stages. The preferred reflux ratio will of course depend on the number of equilibrium stages, but a ratio of 2:1 to 12:1, preferably 2:1 to 8:1, is generally sufficient. The distillation can be carried out at a constant reflux ratio throughout. or operated with variable reflux practices in a manner well known in the art. Typical operating pressures are 100 to 3000 torr (0.013 to 0.4 MPa). More typical pressures are 380 to 1520 torr (0.05 to 0.2 MPa). If sufficient stages and reflux ratio are provided and other aspects of this invention are followed, cyclobutanone product purities of greater than 90 wt.%, more typically greater than 95 wt.%, and most preferably greater than 99 wt.% are readily achievable.
Der Rückstand in der Blase umfasst typisch nicht-gewonnenes Cyclobutanon sowie hochsiedende Verunreinigungen, wie Cyclopropancarbonsäure, γ-Butyrolacton, Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, gemischte Ether der Alkohole und Ketale, die aus Reaktionen zwischen Ethern und Alkoholen gebildet wurden. Wir haben gefunden, dass es von Vorteil ist, den Destillationsblasen-Rückstand aus Schritt (5) in nachfolgende Destillationen des Schritts (3) zurückzuführen, anstelle ihn in nachfolgende Destillationen des Schritts (5) einzuspeisen. Auf diese Weise wird nicht zugelassen, dass sich Cyclobutanol und Cyclopropanmethanol zu beträchtlichen Konzentrationen in der Destillationsblase der Destillation des Schritts (5) d. h. mehr als 2 bis 3 Gew.-%, ansammeln. Hohe Konzentrationen an Alkoholen in der entwässernden Umgebung am Boden der zweiten Kolonne fördern Verluste von Cyclobutanon an Hemiketale und Ketale und führen zur Wasserentwicklung. Eine hohe Gewinnung und stringente Wasserspezifikationen für das Produkt Cyclobutanon sind dann schwierig einzuhalten. Die Abtrennung der Alkohole aus Cyclobutanon wird am besten in Anwesenheit von großen Überschüssen an Wasser, d. h. in der Destillation des Schritts (3), vorgenommen, um das Hemiketal/Ketal-Gleichgewicht in Richtung in Cyclobutan/Alkohol anstelle von Ketal zu verschieben.The residue in the pot typically includes unrecovered cyclobutanone as well as high boiling impurities such as cyclopropanecarboxylic acid, γ-butyrolactone, cyclobutanol, cyclopropanemethanol, mixed ethers of alcohols and ketals formed from reactions between ethers and alcohols. We have found it advantageous to recycle the pot residue from step (5) to subsequent distillations of step (3) rather than feeding it to subsequent distillations of step (5). In this way, cyclobutanol and cyclopropanemethanol are not allowed to accumulate to significant concentrations in the pot of the distillation of step (5), i.e., more than 2 to 3 wt.%. High concentrations of alcohols in the dewatering environment at the bottom of the second column promote losses of cyclobutanone to hemiketals and ketals and lead to water evolution. High recovery and stringent water specifications for the product cyclobutanone are then difficult to meet. The separation of the alcohols from cyclobutanone is best carried out in the presence of large excesses of water, i.e. in the distillation of step (3), to shift the hemiketal/ketal equilibrium towards cyclobutane/alcohol instead of ketal.
Obwohl das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Verfahren hierin in Einzelheit als Chargenbetrieb beschrieben ist, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass es in einem kontinuierlichen Modus betrieben werden kann.Although the process provided by the present invention is described in detail herein as a batch operation, it will be apparent to those skilled in the art that it may be operated in a continuous mode.
Wenn die Aldehydkonzentrationen in der organischen Phase (i) des Schritts (4) über der gewünschten Reinheitsspezifikation des Cyclobutanon-Produkts liegen, ist vor der Destillation des Schritts (5) die Entfernung von einem Teil von oder allen derartigen Aldehyden erforderlich. Normalerweise sollte der Aldehydgehalt des Cyclobutanon-Produkts weniger als 2 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-%, bevorzugter weniger als 0,2 Gew.-% betragen. Aldehyde, die durch Destillation besonders schwierig abzutrennen sind, sind Cyclopropancarboxaldehyd und cis/trans-Crotonaldehyd. Diese Aldehyde sieden innerhalb weniger Grade von Cyclobutanon und sind äußerst schwierig auf wirtschaftliche Weise durch Destillation zu entfernen. Demgemäß ist es wünschenswert, sie durch andere Mittel zu entfernen. Das bevorzugte Mittel findet über eine chemische Umwandlung in hochsiedende Spezies statt, die leicht durch Destillation abzutrennen sind. Wir haben entdeckt, dass in der Nähe siedende Aldehyd-Verunreinigungen durch Oxidation mit molekularem Sauerstoff oder einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, wie Luft, oder durch Kondensationsreaktionen, die durch Amine oder anorganische Basen katalysiert werden, in hochsiedende, leicht abdestillierbare Verbindungen umgewandelt werden können.When aldehyde concentrations in the organic phase (i) of step (4) are above the desired purity specification of the cyclobutanone product, removal of some or all of such aldehydes is required prior to the distillation of step (5). Typically, the aldehyde content of the cyclobutanone product should be less than 2 wt.%, preferably less than 0.5 wt.%, more preferably less than 0.2 wt.%. Aldehydes that are particularly difficult to separate by distillation are cyclopropanecarboxaldehyde and cis/trans-crotonaldehyde. These aldehydes boil within a few degrees of cyclobutanone and are extremely difficult to remove economically by distillation. Accordingly, it is desirable to remove them by other means. The preferred means is via chemical conversion to high boiling species that are easily separated by distillation. We have discovered that near-boiling aldehyde impurities can be converted to high-boiling, easily distilled compounds by oxidation with molecular oxygen or a molecular oxygen-containing gas, such as air, or by condensation reactions catalyzed by amines or inorganic bases.
Die in der Nähe siedenden Aldehyd-Verunreinigungen können leicht unter milden Bedingungen in hochsiedende Säuren umgewandelt werden, indem man die organische Phase (i) von Schritt (4) mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas, wie Sauerstoff, Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft, in Kontakt bringt. So kann molekularer Sauerstoff oder Luft durch die den Aldehyd enthaltende Mischung geperlt und diese über eine gegebene Kontaktzeit bei einer Oxidationstemperatur gehalten werden. Typische Bedingungen für die Oxidation betragen 4 bis 120 Stunden Haltezeit bei 20 bis 80ºC, typischer 15 bis 60 Stunden bei 40 bis 60ºC. Die Oxidationsreaktion ist für die Oxidation des Aldehyds hoch selektiv, und Verluste des Ketons sind normalerweise signifikant weniger als 1% der anfänglichen Beschickung.The near boiling aldehyde impurities can be easily converted to high boiling acids under mild conditions by contacting the organic phase (i) of step (4) with a molecular oxygen-containing gas such as oxygen, air or oxygen-enriched air. Thus, molecular oxygen or air can be bubbled through the mixture containing the aldehyde and held at an oxidation temperature for a given contact time. Typical conditions for oxidation are 4 to 120 hours hold time at 20 to 80ºC, more typically 15 to 60 hours at 40 to 60ºC. The oxidation reaction is highly selective for the oxidation of the aldehyde and losses of the ketone are normally significantly less than 1% of the initial feed.
Es ist in der Technik wohlbekannt, dass andere Oxidantien, z. B. Peroxidantien, Aldehyde in Säure überführen, aber wir haben gefunden, dass diese Verbindungen in unserer Erfindung nachteilig sind. Peroxysäuren, wie Peressigsäure, sind nicht bevorzugt, da sie unselektiv sind und große Mengen des Cyclobutanon zusammen mit den Aldehyden zerstören. Obwohl Aldehyde gegenüber Peroxysäuren hoch reaktiv sind, besteht die Tendenz, dass in Anwesenheit des großen Überschusses an Cyclobutanon über die Aldehyde die Bildung des Lactons γ-Butyrolacton gegenüber die Bildung an Säuren aus den Aldehyden vorherrschend ist. Aus ähnlichen Gründen sind Wasserstoffperoxid oder organische Hydroperoxide, wie tert-Butylhydroperoxid, nicht bevorzugt.It is well known in the art that other oxidants, e.g. peroxidants, convert aldehydes to acid, but we have found that these compounds are detrimental in our invention. Peroxyacids such as peracetic acid are not preferred because they are nonselective and destroy large amounts of the cyclobutanone along with the aldehydes. Although aldehydes are highly reactive toward peroxyacids, in the presence of the large excess of cyclobutanone over the aldehydes, the formation of the lactone γ-butyrolactone tends to prevail over the formation of acids from the aldehydes. For similar reasons, hydrogen peroxide or organic hydroperoxides such as tert-butyl hydroperoxide are not preferred.
Ein zweites Verfahren zur Umwandlung der Aldehyde in leicht abdestillierbare Verbindungen findet über Basen-katalysierte Kondensationsreaktionen vom Aldol-Typ statt. Eine katalytische Menge an Base, z. B. 0,1 bis 1 stöchiometrisches Äquivalent, bezogen auf die Menge an vorliegendem Aldehyd, wird der organischen Phase (i) des Schritts (4) zugesetzt. Die Aldehyd-haltige Mischung wird erwärmt und über eine gegebene Zeitspanne bei Temperatur gehalten. Typische Bedingungen für die Kondensationsreaktion sind eine Reaktionszeit von 2 bis 75 Stunden bei 20 bis 80ºC, typischer 15 bis 50 Stunden bei 40 bis 60ºC. Während der Reaktionsdauer werden die reaktiveren Aldehyde in höher siedende Kondensationsprodukte umgewandelt, während nur ein kleiner Bruchteil des Cyclobutanons an ähnlichen Kondensationsreaktionen teilnimmt.A second method for converting the aldehydes into readily distillable compounds takes place via base-catalyzed aldol-type condensation reactions. A catalytic amount of base, e.g. 0.1 to 1 stoichiometric equivalent based on the amount of aldehyde present, is added to the organic phase (i) of step (4). The aldehyde-containing mixture is heated and maintained at temperature for a given period of time. Typical conditions for the condensation reaction are a reaction time of 2 to 75 hours at 20 to 80°C, more typically 15 to 50 hours at 40 to 60°C. During the reaction period, the more reactive aldehydes are converted to higher boiling condensation products, while only a small fraction of the cyclobutanone participates in similar condensation reactions.
Bevorzugte Basen sind sekundäre und tertiäre Amine, anorganische Basen und basische Harze, insbesondere diejenigen mit sekundärer Amin-Funktionalität. Schwächere Basen, obwohl sie die Reaktionsgeschwindigkeit verringern, sind für die Aldehyd- gegenüber der Ketonkondensation selektiver und sind demgemäß bevorzugt. Die bevorzugten Basen weisen einen pKs von weniger als 11, bevorzugt weniger als 10,5 auf. Die bevorzugten sekundären und tertiären Amine schließen Di- und Trialkylamine ein, in denen die Alkylgruppen aus Alkyl, das 1 bis 20, vorzugsweise 2 bis 10, Kohlenstoffatome enthält, und Hydroxyalkylgruppen, die 2 bis 4 Kohlenstoffatome enthalten, ausgewählt sind. Eine besonders bevorzugte Base ist Diethanolamin. Primäre Amine, wie n-Butylamin, sind nicht bevorzugt, da sie unselektiv sind und einen großen Bruchteil von Cyclobutanon zusammen mit den Aldehyden zerstören. Obwohl Aldehyde gegenüber Basen-katalysierten Kondensationsreaktionen hoch reaktiv sind, besteht die Tendenz, dass in Anwesenheit des großen Überschusses an Cyclobutanon über die Aldehyde die Bildung des Keton-abgeleiteten Imins gegenüber der Bildung der Aldol-Kondensationsprodukte der Aldehyde vorherrscht.Preferred bases are secondary and tertiary amines, inorganic bases and basic resins, especially those with secondary amine functionality. Weaker bases, although they reduce the reaction rate, are more selective for aldehyde over ketone condensation and are accordingly preferred. The preferred bases have a pKa of less than 11, preferably less than 10.5. The preferred secondary and tertiary amines include di- and trialkylamines in which the alkyl groups are selected from alkyl containing 1 to 20, preferably 2 to 10, carbon atoms and hydroxyalkyl groups containing 2 to 4 carbon atoms. A particularly preferred base is diethanolamine. Primary amines such as n-butylamine are not preferred because they are nonselective and destroy a large fraction of cyclobutanone along with the aldehydes. Although aldehydes are highly reactive toward base-catalyzed condensation reactions, in the presence of large excess of cyclobutanone over the aldehydes, the formation of the ketone-derived imine tends to predominate over the formation of the aldol condensation products of the aldehydes.
Da die Base als Katalysator und nicht als Reagens wirkt, katalysiert die Base weiterhin Kondensationsreaktionen, insbesondere die unerwünschte Cyclobutanon-Kondensationsreaktion, während des End-Destillationsschritts. Diese Tendenz, die Katalyse der Cyclobutanon-Kondensation weiter zu bewirken, ist besonders bei den hohen Temperaturen und der trockenen Umgebung des Destillations-Reboilers oder der Destillationsblase ausgeprägt. Demgemäß ist es kritisch für hohe Ausbeuten an Cyclobutanon, die Base vor dem End-Oestillationsschritt entweder zu entfernen oder zu neutralisieren oder sie rasch während der zweiten Destillation zu entfernen. Wenn der Basen-Katalysator niedriger siedet als das Cyclobutanon/Wasser-Azeotrop oder ein Azeotrop mit Wasser bildet, das einen Siedepunkt unter demjenigen des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops aufweist, kann die Base rasch aus der Destillationsblase im Schritt (5) entfernt werden, z. B. als Teil des ersten Destillats (i) des Schritts (5). Beispielsweise bildet Diisopropylamin ein Minimum-siedendes Azeotrop mit Wasser mit einem Siedepunkt von 74ºC und kann deshalb über eine Destillation als Komponente des ersten Destillats (i) des Schritts (5) entfernt werden. Die Menge an erstem Destillat, die ein Azeotrop von niedrig siedendem Amin und Wasser umfasst, beträgt typisch 0,2 bis 3,0 Gew.-%, typischer 0,5 bis 2,0 Gew.-% des im Schritt (5) destillierten Materials. Die Kolonnenkopf-Temperatur ist typisch in der Nähe des Siedepunkts des Amin/Wasser-Azeotrops, während der Vorlauf gesammelt wird. Die tatsächliche Kopftemperatur hängt natürlich vom Betriebsdruck der Kolonne ab. So ist beispielsweise die Kopftemperatur bei 740 Torr etwa 73 bis 74ºC bei Diisopropylamin als Basen-Katalysator. Es wird bevorzugt, dass der Siedepunkt des Amins oder des Amin/Wasser- Azeotrops mindestens 8ºC, bevorzugter mindestens 15ºC weniger als der Siedepunkt des Cyclobutanon/- Wasser-Azeotrops beträgt.Since the base acts as a catalyst and not as a reagent, the base continues to catalyze condensation reactions, particularly the undesirable cyclobutanone condensation reaction, during the final distillation step. This tendency to further catalyze the cyclobutanone condensation, is particularly pronounced at the high temperatures and dry environment of the distillation reboiler or still. Accordingly, it is critical for high yields of cyclobutanone to either remove or neutralize the base prior to the final distillation step or to remove it rapidly during the second distillation. If the base catalyst boils lower than the cyclobutanone/water azeotrope or forms an azeotrope with water having a boiling point below that of the cyclobutanone/water azeotrope, the base can be rapidly removed from the still in step (5), e.g., as part of the first distillate (i) of step (5). For example, diisopropylamine forms a minimum boiling azeotrope with water having a boiling point of 74°C and therefore can be removed via distillation as a component of the first distillate (i) of step (5). The amount of first distillate comprising an azeotrope of low boiling amine and water is typically 0.2 to 3.0 wt.%, more typically 0.5 to 2.0 wt.% of the material distilled in step (5). The column overhead temperature is typically near the boiling point of the amine/water azeotrope while the light ends are collected. The actual overhead temperature will, of course, depend on the operating pressure of the column. For example, at 740 torr the overhead temperature is about 73 to 74°C with diisopropylamine as the base catalyst. It is preferred that the boiling point of the amine or amine/water azeotrope be at least 8°C, more preferably at least 15°C less than the boiling point of the cyclobutanone/water azeotrope.
Der Basen-Katalysator, insbesondere höher siedende Basen, die nicht durch Destillation entfernt werden können, können durch Zugabe von Säure neutralisiert werden, aber eine genaue Titration ist schwierig. Die Verwendung von zu wenig Säure für die vollständige Neutralisation verbessert die katalytische Wirkung der verbleibenden Base nicht, während die Verwendung von zu viel Säure eine unerwünschte Säure-katalysierte Ketal- und Etherbildungsreaktion in dem folgenden End- Destillationsschritt fördert. Wir haben entdeckt, dass die Base durch Behandlung mit einem Harz in Form einer starken Säure, z. B. einem sauren Ionenaustauscherharz, das Sulfonsäuregruppen trägt, wirksam aus der Cyclobutanon-Mischung entfernt werden kann. Das saure Harz kann entweder als Aufschlämmung des Harzpulvers oder in einem gepackten Bett des Harzes mit der Basen-haltigen Mischung in Kontakt gebracht werden. Wenn das Harz aufgeschlämmt wird, kann es durch in der Technik bekannte Filtrationsmethoden aus der Mischung zurückgewonnen werden. Ein bevorzugtes saures Harz ist die Wasserstoff- Form von Amberlyst 15-Harz. Viele andere Harze mit ähnlicher Konfiguration funktionieren wirksam für die Basenentfernung.The base catalyst, particularly higher boiling bases that cannot be removed by distillation, can be neutralized by adding acid, but accurate titration is difficult. Using too little acid for complete neutralization does not improve the catalytic action of the remaining base, while using too much acid promotes an undesirable acid-catalyzed ketal and ether formation reaction in the following final distillation step. We have discovered that the base can be effectively removed from the cyclobutanone mixture by treatment with a resin in the form of a strong acid, e.g., an acidic ion exchange resin bearing sulfonic acid groups. The acidic resin can be contacted with the base-containing mixture either as a slurry of the resin powder or in a packed bed of the resin. When the resin is slurried, it can be recovered from the mixture by filtration methods known in the art. A preferred acidic resin is the hydrogen form of Amberlyst 15 resin. Many other resins with similar configuration work effectively for base removal.
Ein hochsiedendes Lösungsmittel (Lösungsmittel I) kann gegebenenfalls der Einspeisung des Destillationsschrittes (5) zugesetzt werden, um für einen Fuß oder Rückstand der Destillation zur Verbesserung der Wärmeübertragung und Cyclobutanon-Gewinnung zu sorgen. Dieses Lösungsmittel I sollte die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) einen Siedepunkt signifikant über, z. B. mindestens 30ºC, dem Siedepunkt von Cyclobutanon; (2) bildet kein binäres Azeotrop mit Cyclobutanon; (3) bildet kein binäres Azeotrop mit Alkohol-Verunreinigungen, das einen Siedepunkt nahe dem Siedepunkt von reinem Cyclobutanon, z. B. innerhalb von 10ºC, aufweist; und (4) reagiert nicht mit Cyclobutanon. Beispiele für derartige hochsiedende, inerte Lösungsmittel I sind hochsiedende gerade und verzweigtkettige Alkane und Alkylester von Alkansäuren, wie n-Decan, n-Nonan und Isobutylisobutyrat.A high boiling solvent (Solvent I) may optionally be added to the feed of distillation step (5) to provide a foot or residue of the distillation to improve heat transfer and cyclobutanone recovery. This Solvent I should have the following properties: (1) a boiling point significantly above, e.g., at least 30°C, the boiling point of cyclobutanone; (2) does not form a binary azeotrope with cyclobutanone; (3) does not form a binary azeotrope with alcohol impurities that has a boiling point close to the boiling point of pure cyclobutanone, e.g., within 10°C; and (4) does not react with cyclobutanone. Examples of such high-boiling, inert solvents I are high-boiling straight and branched chain alkanes and alkyl esters of alkanoic acids, such as n-decane, n-nonane and isobutyl isobutyrate.
Gemischte Lösungsmittel mit diesen Eigenschaften sind ebenfalls für diesen Aspekt der Erfindung nützlich. Die inerten Hilfslösungsmittel I weisen typisch einen Siedepunkt von mindestens 130ºC, bevorzugt 140 bis 200ºC auf. Die Menge des fakultativen, hochsiedenden Lösungsmittels I, die verwendet werden kann, liegt typisch im Bereich von 0,1 bis 2 Gewichtsteilen, bezogen auf das Gewicht des Einspeisungsmaterials für die Destillation von Schritt (5).Mixed solvents having these properties are also useful for this aspect of the invention. The inert cosolvents I typically have a boiling point of at least 130°C, preferably 140 to 200°C. The amount of optional high boiling solvent I that can be used is typically in the range of 0.1 to 2 parts by weight based on the weight of the feed material for the distillation of step (5).
Eine weitere Variante des Verfahrens, das durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird, verwendet ein Fremdlösungsmittel (Lösungsmittel II) in Schritt (5). Das Fremdlösungsmittel II ist so gewählt, dass es ein ternäres System bereitstellt, das aus Cyclobutanon, Wasser und dem äußeren Lösungsmittel II besteht und die folgenden Merkmale aufweist:Another variant of the process provided by the present invention uses an external solvent (solvent II) in step (5). The external solvent II is selected to provide a ternary system consisting of cyclobutanone, water and the external solvent II and having the following features:
(1) Das Lösungsmittel bildet ein heterogenes, Minimum-siedendes binäres Azeotrop mit Wasser oder ein heterogenes, ternäres, Minimum-siedendes Azeotrop mit Wasser und Cyclobutanon, welches das niedrigst siedende von allen binären Azeotropen und reinen Komponenten in dem ternären System ist; und(1) The solvent forms a heterogeneous, minimum boiling binary azeotrope with water or a heterogeneous, ternary, minimum boiling azeotrope with water and cyclobutanone which is the lowest boiling of all binary azeotropes and pure components in the ternary system; and
(2) Das Lösungsmittel reagiert nicht mit Cyclobutanon.(2) The solvent does not react with cyclobutanone.
Das inerte Fremdlösungsmittel II bildet vorzugsweise kein binäres Azeotrop mit Alkohol- Verunreinigungen, welches einen Siedepunkt in der Nähe des Siedepunktes von reinem Cyclobutanon, d. h. innerhalb von 10ºC, aufweist. Das organische Lösungsmittel II ist vorzugsweise aus aliphatischen, cycloaliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen, die bis zu 7 Kohlenstoffatome enthalten; aliphatischen, aromatischen und cyclischen Ethern, die bis zu 6 Kohlenstoffatome enthalten; aliphatischen und cycloaliphatischen Nitrilen, die bis zu 5 Kohlenstoffatome enthalten; und aliphatischen und cycloaliphatischen Ketonen, die bis zu 6 Kohlenstoffatome enthalten; aliphatischen und cycloaliphatischen halogenierten Kohlenwasserstoffen, die bis zu 6 Kohlenstoffe und bis zu 3 Chlor- oder 6 Fluor- oder 3 Bromatome enthalten; und aliphatischen oder cycloaliphatischen Estern, die bis zu 5 Kohlenstoffatome enthalten, ausgewählt. Spezielle Beispiele für das inerte zugesetzte Lösungsmittel II umfassen Methyltert-butylether (MTBE), tert-Amylether, Ethylacetat, Isopropylacetat, n-Pentan, n-Hexan, Cyclohexan, Methylisopropylketon, 1-Chlorbutan und 2-Chlorbutan.The inert foreign solvent II preferably does not form a binary azeotrope with alcohol impurities, which has a boiling point close to the boiling point of pure cyclobutanone, i.e. within 10°C. The organic solvent II is preferably selected from aliphatic, cycloaliphatic and aromatic hydrocarbons containing up to 7 carbon atoms; aliphatic, aromatic and cyclic ethers containing up to 6 carbon atoms; aliphatic and cycloaliphatic nitriles containing up to 5 carbon atoms; and aliphatic and cycloaliphatic ketones containing up to 6 carbon atoms; aliphatic and cycloaliphatic halogenated hydrocarbons containing up to 6 carbons and up to 3 chlorine or 6 fluorine or 3 bromine atoms; and aliphatic or cycloaliphatic esters containing up to 5 carbon atoms. Specific examples of the inert added solvent II include methyl tert-butyl ether (MTBE), tert-amyl ether, ethyl acetate, isopropyl acetate, n-pentane, n-hexane, cyclohexane, methyl isopropyl ketone, 1-chlorobutane and 2-chlorobutane.
Wenn das inerte organische Fremdlösungsmittel II im Destillationsschritt (5) verwendet wird, wird eine erste Destillatfraktion bei einer Kolonnenkopftemperatur von etwa derjenigen des Siedepunkts des binären Lösungsmittel II/Wasser-Azeotrops oder des ternären Lösungsmittel II/Wasser/Cyclobutanon- Azeotrops gesammelt. So beträgt beispielsweise mit MTBE als Lösungsmittel II und bei einem Kolonnendruck von etwa 740 Torr die Kopftemperatur etwa 51-52ºC. Die Zusammensetzung des ersten Destillats (i) umfasst im Wesentlichen das binäre oder ternäre Azeotrop mit dem Lösungsmittel II. Das erste Destillat (i) trennt sich beim Stehen in zwei flüssige Phasen. Die wässrige Phase kann in nachfolgende Destillationen des Schritts (3) zurückgeführt werden, und die organische Phase in nachfolgende Destillationen des Schritts (5). Das Sammeln des ersten Destillats (i) wird fortgesetzt, bis im Wesentlichen alles Wasser aus der Destillationsblase entfernt ist. Wenn der Wassergehalt der Destillationsapparatur unter die Zusammensetzung des binären oder ternären Azeotrops mit dem Lösungsmittel fällt, steigt die Kopftemperatur allmählich bis zum Siedepunkt des zugesetzten Lösungsmittels II. Die nächste Destillationsfraktion, die Wasser, Cyclobutanon und Lösungsmittel II umfasst, wird entnommen, wenn die letzten Spuren von Wasser und etwaiges überschüssiges Lösungsmittel II am Kopf abdestilliert werden. Diese Fraktion kann ebenfalls in nachfolgende Destillationen des Schritts (3) zürückgeführt werden. Wenn sich die Kolonnentemperatur dem Siedepunkt von reinem Cyclobutanon stark annähert, d. h. weniger als etwa 1ºC davon entfernt ist, wird mit der Sammlung der Produktfraktion (ii) begonnen, wie oben beschrieben.When the inert organic foreign solvent II is used in the distillation step (5), a first distillate fraction is collected at a column head temperature of about that of the boiling point of the binary solvent II/water azeotrope or the ternary solvent II/water/cyclobutanone azeotrope. For example, with MTBE as solvent II and a column pressure of about 740 torr, the head temperature is about 51-52°C. The composition of the first distillate (i) essentially comprises the binary or ternary azeotrope with solvent II. The first distillate (i) separates into two liquid phases upon standing. The aqueous phase can be recycled to subsequent distillations of step (3) and the organic phase to subsequent distillations of step (5). Collection of the first distillate (i) is continued until substantially all of the water is removed from the still. When the water content of the distillation apparatus falls below the composition of the binary or ternary azeotrope with the solvent, the head temperature gradually increases to the boiling point of the added solvent II. The next distillation fraction, which contains water, cyclobutanone and solvent II is removed when the last traces of water and any excess solvent II are distilled off at the top. This fraction can also be recycled to subsequent distillations of step (3). When the column temperature closely approaches the boiling point of pure cyclobutanone, ie less than about 1ºC away from it, collection of product fraction (ii) is started as described above.
Die Menge an inertem Fremdlösungsmittel II, die zu dem Einspeisungsmaterial gegeben wird, das in Schritt (5) destilliert wird, beruht auf dem Wassergehalt des Einspeisungsmaterials. Normalerweise wird ausreichend Lösungsmittel II in die Destillationsblase eingeführt, um einen Überschuss, vorzugsweise einen 5-30%-igen Überschuss, bezüglich der Zusammensetzung des binären Lösungsmittel II/Wasser- Azeotrops oder des ternären Wasser/Lösungsmittel II/Cyclobutanon-Azeotrops zu ergeben. So ist beispielsweise, wenn MTBE als Lösungsmittel II verwendet wird, die Zusammensetzung des binären MTBE/Wasser-Azeotrops 4 Gew.-% Wasser. So wird MTBE mit einer Rate von mindestens 24 kg MTBE pro kg Wasser in der Einspeisung zugesetzt, typischer 25,2 bis 36 kg MTBE pro kg Wasser.The amount of inert foreign solvent II added to the feed material distilled in step (5) is based on the water content of the feed material. Typically, sufficient solvent II is introduced into the still to give an excess, preferably a 5-30% excess, over the composition of the binary solvent II/water azeotrope or the ternary water/solvent II/cyclobutanone azeotrope. For example, when MTBE is used as solvent II, the composition of the binary MTBE/water azeotrope is 4 wt% water. Thus, MTBE is added at a rate of at least 24 kg MTBE per kg water in the feed, more typically 25.2 to 36 kg MTBE per kg water.
In noch einer weiteren Variante unserer Erfindung werden die Destillationen des Schritts (3) und des Schritts (5) unter Verwendung unterschiedlicher Drücke durchgeführt. In dieser Ausführungsform unserer Erfindung, die hierin als im kontinuierlichen Einspeisungsmodus betrieben beschrieben wird, ist die oben in Schritt (4) angegebene Vornahme der Trennung für den erfolgreichen Betrieb des Gesamtverfahrens zur Gewinnung von Cyclobutanon mit einer Reinheit von 90% oder mehr nicht wesentlich. Jedoch kann die Trennung des Schritts (4) in den Betrieb des Verfahrens eingeschlossen werden. Diese Ausführungsform unserer Erfindung besteht so aus einem Verfahren zur Gewinnung von Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 90 Gew.-% aus einer Rohproduktmischung, die Cyclobutanon, Wasser und eine Mehrzahl von anderen organischen Verbindungen umfasst, welche aus der Oxidation von Cyclobutanol in Wasser resultieren, durch die Schritte, welche umfassen:In yet another variation of our invention, the distillations of step (3) and step (5) are carried out using different pressures. In this embodiment of our invention, described herein as operating in continuous feed mode, the separation operation specified above in step (4) is not essential to the successful operation of the overall process for recovering cyclobutanone having a purity of 90% or more. However, the separation of step (4) can be included in the operation of the process. This embodiment of our invention thus consists of a process for recovering cyclobutanone having a purity of at least 90% by weight from a crude product mixture comprising cyclobutanone, water and a plurality of other organic compounds resulting from the oxidation of cyclobutanol in water by the steps comprising:
I. Destillieren der Rohrproduktmischung, um (i) ein Destillat, das Cyclobutanon, Wasser, Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol, 2-Buten-1-ol, Cyclopropancarboxaldehyd, Ether und gemischte Ether von Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, 3-Buten-1-ol und 2- Buten-1-ol und Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol mit Cyclobutanon umfasst; und (ii) einen Destillationsrückstand zu erhalten, der Wasser, Metallsalze und hochsiedende organische Verbindungen wie γ-Butyrolacton, Cyclopropancarbonsäure und Hemiketale und Ketale von Cyclopropanmethanol, Cyclobutanol, 3-Buten-1-ol und 2-Buten-1-ol mit Cyclobutanon umfasst;I. Distilling the crude product mixture to produce (i) a distillate comprising cyclobutanone, water, cyclopropane methanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol, 2-buten-1-ol, cyclopropanecarboxaldehyde, ethers and mixed ethers of cyclobutanol, cyclopropane methanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol and hemiketals and ketals of cyclopropane methanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol with cyclobutanone; and (ii) to obtain a distillation residue comprising water, metal salts and high boiling organic compounds such as γ-butyrolactone, cyclopropanecarboxylic acid and hemiketals and ketals of cyclopropanemethanol, cyclobutanol, 3-buten-1-ol and 2-buten-1-ol with cyclobutanone;
II. Gestatten, dass sich die resultierende Mischung in. (i) eine organische Phase, die eine geringere Menge an Cyclobutanon, die in dem Destillat enthalten ist, eine Hauptmenge an Verunreinigungen, die in Wasser weniger löslich als Cyclobutanon sind, wie Ether, Ketale und Farbkörper, umfasst; und (iii) eine wässrige Phase auftrennt, die Wasser, eine Hauptmenge des Cyclobutanons, die in dem Destillat enthalten ist, eine geringere Menge an hydrophileren Verunreinigungen, wie Alkoholen und Cyclopropancarboxaldehyd, umfasst;II. Allowing the resulting mixture to separate into (i) an organic phase comprising a minor amount of cyclobutanone contained in the distillate, a major amount of impurities less soluble in water than cyclobutanone, such as ethers, ketals and color bodies; and (iii) an aqueous phase comprising water, a major amount of the cyclobutanone contained in the distillate, a minor amount of more hydrophilic impurities, such as alcohols and cyclopropanecarboxaldehyde;
III. Destillieren der wässrigen Phase aus Schritt II bei einem Druck im Bereich von 100 bis 2000 Torr, um (i) ein kondensiertes Destillatprodukt, das ein Azeotrop von Wasser und Cyclobutanon umfasst, und (ii) ein Kolonnenunterlauf-Produkt zu erhalten, das Wasser, Cyclopropancarbonsäure, γ-Butyrolacton, Cyclobutanol, Cyclopropanmethanol, gemischte Ether der Alkohole und Ketale, die aus Reaktionen zwischen Ethern und Alkoholen gebildet werden, umfasst; undIII. Distilling the aqueous phase from step II at a pressure in the range of 100 to 2000 Torr to obtain (i) a condensed distillate product which is an azeotrope of water and cyclobutanone, and (ii) obtaining a column underflow product comprising water, cyclopropanecarboxylic acid, γ-butyrolactone, cyclobutanol, cyclopropanemethanol, mixed ethers of alcohols and ketals formed from reactions between ethers and alcohols; and
IV. Destillieren des Destillats (i) aus Schritt III bei einem Druck von 2000 bis 6000 Torr, um (i) ein Destillatprodukt, das ein Azeotrop von Wasser und Cyclobutanon umfasst, das in die Einspeisung der Destillation von Schritt III zurückgeführt wird, und (ii) ein Säulenunterlaufprodukt zu erhalten, das Cyclobutanon mit einer Reinheit von mindestens 90% umfasst;IV. distilling the distillate (i) from step III at a pressure of 2000 to 6000 torr to obtain (i) a distillate product comprising an azeotrope of water and cyclobutanone which is recycled to the feed to the distillation of step III and (ii) a column underflow product comprising cyclobutanone having a purity of at least 90%;
vorausgesetzt, dass die Destillation des Schritts IV bei einem Druck von mindestens 760 Torr höher als dem Druck betrieben wird, beidem Schritt III betrieben wird.provided that the distillation of step IV is operated at a pressure at least 760 torr higher than the pressure at which step III is operated.
Der Destillafionsschritt III wird bei einem Druck von 100 bis 2000 Torr (0,013 bis 0,26 MPa), vorzugsweise 700 bis 1250 Torr (0,093 bis 0,17 MPa) betrieben. Das kondensierte Destillationsprodukt aus der Destillation des Schritts III wird, gegebenenfalls nach Zerstörung von in der Nähe siedenden Aldehyden, für die Endreinigung des Cyclobutanons bei einem höheren Druck als dem der Destillation des Schritts III in die Destillationskolonne des Schritts IV eingespeist. Die Destillationskolonne des Schritts IV wird bei einem Druck von wesentlich über, z. B. mindestens 760 Torr (0,1 MPa), bevorzugter mindestens 2280 Torr (0,3 MPa) über dem Druck der Destillationskolonne des Schritts III betrieben. Die Destillationskolonne des Schritts N wird typisch bei Drücken von 2000 bis 6000 Torr (0,26 bis 0,8 MPa), typischer bei Drücken von 3500 bis 5500 Torr (0,4 bis 0,53 MPa) betrieben. Wenn genügend Stufen und ein ausreichendes Rückfluss-Verhältnis bereitgestellt sind und anderen Aspekten dieser Erfindung gefolgt wird, sind ohne weiteres Cyclobutanon-Produktreinheiten von mehr als 90 Gew.-%, typischer mehr als 95 Gew.-% und am bevorzugtesten mehr als 99 Gew.-% erzielbar.Distillation step III is operated at a pressure of 100 to 2000 Torr (0.013 to 0.26 MPa), preferably 700 to 1250 Torr (0.093 to 0.17 MPa). The condensed distillation product from the distillation of step III, optionally after destruction of nearby boiling aldehydes, is fed to the distillation column of step IV for the final purification of the cyclobutanone at a higher pressure than that of the distillation of step III. The distillation column of step IV is operated at a pressure substantially above, e.g. at least 760 Torr (0.1 MPa), more preferably at least 2280 Torr (0.3 MPa) the pressure of the distillation column of step III. The distillation column of step N is typically operated at pressures of 2000 to 6000 torr (0.26 to 0.8 MPa), more typically at pressures of 3500 to 5500 torr (0.4 to 0.53 MPa). If sufficient stages and a sufficient reflux ratio are provided and other aspects of this invention are followed, cyclobutanone product purities of greater than 90 wt.%, more typically greater than 95 wt.%, and most preferably greater than 99 wt.% are readily achievable.
Unser neues Verfahren wird weiter durch die folgenden Beispiele erläutert. Die in diesen Beispielen angegebenen Prozentsätze beziehen sich auf Gewicht, falls nichts anderes angegeben ist.Our new process is further illustrated by the following examples. The percentages given in these examples are by weight unless otherwise stated.
Ein 50 l-Glasrundkolben wurde mit einem elektrischen Heizmantel, einem luftgetriebenen Rührmotor und einem Thermoelement ausgestattet. Ein Hals des Kolbens wurde mit einer kurzen, ungepackten Glaskolonne mit einer Länge von 0,61 Metern (2 Fuß), einem Destillationskopf, einem wassergekühlten Kühler ausgestattet und wurde mit einem 5 l-Tropfenboden-Auffangkolben verbunden. Sowohl der Auffang- als auch der Reaktionskolben wurden unter Stickstoff gesetzt und mit einer Trockeneis- Belüftungsfalle ausgestattet. Der Reaktionskolben wurde mit 5750 g Wasser beschickt. Der luftgetriebene Rührer wurde in Gang gesetzt, und 1315 g konzentrierte Salzsäure und 1140 g Cyclopropanmethanol wurden in den Kolben gegeben. Die Mischung wurde zum Rückfluss erwärmt und 4 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mischung wurde auf 30ºC abgekühlt und in einen eisgekühlten ummantelten 50 l-Rundkolben überführt, der mit einem luftgetriebenen Rührmotor, einem Thermoelement, einer Stickstoffspülungs-Leitung und einem Trockeneis-Entlüftungskühler ausgestattet war. Unter Rühren wurden 0,9 l Wasser in den eisgekühlten Kolben gegeben, gefolgt von 3961 g Oxalsäure. Man ließ die Reaktion auf 25ºC abkühlen, und eine Mischung von 3148 g Chromtrioxid in 4860 g Wasser wurde tropfenweise über eine Zeitspanne von 10 Stunden in den ummantelten Kolben gegeben, wobei man die Temperatur bei 25ºC hielt. Nach Beendigung der Zugabe des wässrigen Chromtrioxids wurde die Reaktionsmischung 1 Stunde bei 25ºC gerührt.A 50 L glass round bottom flask was fitted with an electric heating mantle, an air driven stirrer motor, and a thermocouple. One neck of the flask was fitted with a short, 0.61 meter (2 ft) unpacked glass column, a distillation head, a water cooled condenser, and was connected to a 5 L drop bottom receiving flask. Both the receiving and reaction flasks were placed under nitrogen and fitted with a dry ice vent trap. The reaction flask was charged with 5750 g of water. The air driven stirrer was started, and 1315 g of concentrated hydrochloric acid and 1140 g of cyclopropane methanol were added to the flask. The mixture was heated to reflux and held at that temperature for 4 hours. The mixture was cooled to 30ºC and transferred to an ice-cooled 50 L jacketed round bottom flask equipped with an air-driven stirrer motor, thermocouple, nitrogen purge line and dry ice vent condenser. With stirring, 0.9 L of water was added to the ice-cooled flask followed by 3961 g of oxalic acid. The reaction was allowed to cool to 25ºC and a mixture of 3148 g of chromium trioxide in 4860 g of water was added. was added dropwise to the jacketed flask over a period of 10 hours while maintaining the temperature at 25°C. After completion of the addition of the aqueous chromium trioxide, the reaction mixture was stirred at 25°C for 1 hour.
Das wie oben hergestellte rohe Cyclobutanon-Produkt wurde in einen 50 l-Destillations-Rundkolben überführt und zum Siedepunkt erwärmt. Im Verlauf des 24-stündigen Betriebs bei Gesamtentnahme wurden etwa 3881 g Destillatprodukt des Schritts (1) in dem Auffänger gesammelt. Das Material des Schritts (1) in dem Auffänger trennte sich in zwei flüssige Phasen. Die kleine, hoch gefärbte obere organische Phase (i) umfasste etwa 50% Cyclobutanon. Die rohe wässrige Phase (ii) umfasste 8,8% Cyclobutanon. Demgemäß war keine Wasserzugabe erforderlich, um die Cyclobutanon-Konzentration auf den bevorzugten Bereich einzustellen. Obwohl Schwankungen möglich sind, beträgt die Konzentration an Cyclobutanon in der wässrigen Schicht (ii) typisch 3 bis 20% der Lösung, typischer 6 bis 15%. Die organische Schicht (i) kann bis zu 95% Cyclobutanon enthalten, typischer 30 bis 85% Cyclobutanon.The crude cyclobutanone product prepared as above was transferred to a 50 L round bottom distillation flask and heated to boiling point. Over the course of 24 hours of operation at total withdrawal, approximately 3881 g of distillate product of step (1) was collected in the collector. The material of step (1) in the collector separated into two liquid phases. The small, highly colored upper organic phase (i) comprised approximately 50% cyclobutanone. The crude aqueous phase (ii) comprised 8.8% cyclobutanone. Accordingly, no water addition was required to adjust the cyclobutanone concentration to the preferred range. Although variations are possible, the concentration of cyclobutanone in the aqueous layer (ii) is typically 3 to 20% of the solution, more typically 6 to 15%. The organic layer (i) can contain up to 95% cyclobutanone, more typically 30 to 85% cyclobutanone.
Kreuzstrom-Extraktionsexperimente wurden mit der organischen Phase (i), die aus der oben beschriebenen Schritt (1)-Destillation erhalten worden war, durchgeführt, um zu demonstrieren, dass: (1) weiteres Cyclobutanon aus der organischen Phase (i) gewonnen werden kann und (2) Wasser ein selektives Lösungsmittel für die Abtrennung von Cyclobutanon von anderen Oxidations-Nebenprodukten ist. Die organische Phase (i) bestand aus etwa 5% Wasser, 59% Cyclobutanon und 36% organischen Verunreinigungen.Cross-flow extraction experiments were performed on the organic phase (i) obtained from the step (1) distillation described above to demonstrate that: (1) further cyclobutanone can be recovered from the organic phase (i) and (2) water is a selective solvent for the separation of cyclobutanone from other oxidation byproducts. The organic phase (i) consisted of approximately 5% water, 59% cyclobutanone and 36% organic impurities.
Mit einer Portion der kleinen organischen Phasenschicht (i), die aus der Schritt (1)-Destillation erhalten wurde, wurde anhand des folgenden Verfahrens eine Reihe von Kreuzstrom-Extraktionsexperimenten durchgeführt. Die organische Phase (1) wurde zusammen mit einer gleichen Masse an demineralisiertem Wasser in einen Scheidetrichter eingeführt. Der Trichter wurde 2 Minuten geschüttelt, und man ließ die Phasen sich trennen. Die resultierende wässrige und organische Phase wurden dekantiert, und jede Phase wurde mittels GC analysiert. Die neue so erhaltende organische Phase aus der ersten Extraktion wurde dann für insgesamt 8 Kreuzstrom-Extraktionen wiederum mit einer gleichen Masse an frischem, demineralisiertem Wasser für die zweite Extraktion usw. vereinigt. Da es nicht möglich war, alle Verunreinigungen einzeln zu identifizieren, wurde ein Antwortfaktor von 1 für den Leitfähigkeits- (TC)-Detektor für die Verunreinigungen angenommen, und die Gewichtsprozente für Wasser, Cyclobutanon und Verunreinigungen wurden auf 100% normiert.A series of cross-flow extraction experiments were carried out on a portion of the small organic phase layer (i) obtained from the step (1) distillation using the following procedure. The organic phase (1) was introduced into a separatory funnel together with an equal mass of demineralized water. The funnel was shaken for 2 minutes and the phases were allowed to separate. The resulting aqueous and organic phases were decanted and each phase was analyzed by GC. The new organic phase thus obtained from the first extraction was then again combined with an equal mass of fresh demineralized water for the second extraction and so on for a total of 8 cross-flow extractions. Since it was not possible to identify all impurities individually, a response factor of 1 for the conductivity (TC) detector was assumed for the impurities and the weight percentages for water, cyclobutanone and impurities were normalized to 100%.
Die Phasenzusammensetzungen und Verteilungskoeffizienten für die Reihe von 8 Kreuzstrom- Extraktionen sind in Tabelle I angegeben, in der die Gewichte der organischen (oder Raffinat-) Phase und der wässrigen (oder Extrakt-) Phase in g angegeben sind, CBON Cyclobutanon ist, Imp die vorhandenen Verunreinigungen darstellt und die Werte, die für Zusammensetzung der organischen und wässrigen Phase und der kumulativen Gewinnungen angegeben sind, Gewichtsprozentsätze darstellen. Der Verteilungskoeffizient ist als der Massenbruchteil einer gegebenen Komponente in der Wasser (Extrakt)- Phase, geteilt durch den Massenbruchteil derselben Komponente in der organischen (Raffinat-) Phase definiert. Nach acht Extraktionen wurden 78% des Cyclobutanons und lediglich 19% der Verunreinigungen in der ursprünglichen organischen Schicht in den vereinigten Extraktströmen gewonnen. Es ist sogar eine höhere Gewinnung an Cyclobutanon möglich, wenn größere Mengen an Wasser und mehr Extraktionsstufen verwendet werden. Der Verteilungskoeffizient für Cyclobutanon ist typisch eine Größenordnung höher als derjenige der Verunreinigungen, was demgemäß zeigt, dass Wasser ein sehr selektives Extraktionslösungsmittel für Cyclobutanon gegenüber den Verunreinigungen ist. TABELLE I The phase compositions and partition coefficients for the series of 8 cross-flow extractions are given in Table I, where the weights of the organic (or raffinate) phase and the aqueous (or extract) phase are given in grams, CBON is cyclobutanone, Imp represents the impurities present, and the values given for organic and aqueous phase composition and cumulative recoveries are weight percentages. The partition coefficient is expressed as the mass fraction of a given component in the water (extract) phase divided by the mass fraction of the same component in the organic (raffinate) phase. After eight extractions, 78% of the cyclobutanone and only 19% of the impurities in the original organic layer were recovered in the combined extract streams. Even higher recovery of cyclobutanone is possible when larger amounts of water and more extraction stages are used. The partition coefficient for cyclobutanone is typically an order of magnitude higher than that of the impurities, thus demonstrating that water is a very selective extraction solvent for cyclobutanone over the impurities. TABLE I
Etwa 789 kg (1740 engl. Pfund) der wässrigen Phase (ii), die durch das oben beschriebene Schritt (1)-Destillationsverfahren hergestellt worden war, wurden in einen 5003,8 I- (500 Gallonen-), mit Glas ausgekleideten Reaktor eingeführt, der mit einer gepackten 6,1 m · 25,4 cm-Durchmesser (20 Fuß · 10 Inch-Durchmesser)-Kolonne, einem Rückflussteiler, einem Kühler und einem Aufnahmegefäß ausgestattet war. Die Zusammensetzung der anfänglichen Beschickung war etwa 9% Cyclobutanon und 0,25% Cyclopropancarboxaldehyd. Das Reaktorgefäß wurde mit Dampf geheizt und bei totalem Rückfluss gehalten, bis die Kolonnenkopf-Temperatur etwa 80ºC erreicht hatte. Das Rückflussverhältnis wurde auf 6 : 1 umgeschaltet, um mit der Sammlung von Destillatfraktionen zu beginnen. Bei einer Kopftemperatur zwischen 81,2-82ºC wurde ein kleiner Destillatvorlauf gesammelt, um Niedrigsieder aus dem System zu entfernen. Der Vorlauf wog etwa 2,9 kg (6,39 engl. Pfund) oder 0,4% der anfänglichen Beschickung und umfasste etwa 1,9 kg (4,13 engl. Pfund) Cyclobutanon. Die Produktfraktion wurde bei einem Rückflussverhältnis von 6/1 bei einer Kolonnenkopf-Temperatur zwischen 81,9 und 85ºC gesammelt. Die Produktfraktion wog 81,6 kg (180 engl. Pfund) und enthielt 78,5% Cyclobutanon, etwa die Zusammensetzung des Cyclobutanon/Wasser-Azeotrops, und 0,35% Cyclopropancarboxaldehyd. Das Gefäß wurde abgekühlt, und 703,3 kg (1548,5 engl. Pfund) an Material, das 0,4% Cyclobutanon enthielt, wurden aus der Destillationsblase abgelassen. Die Cyclobutanon-Gewinnung betrug 97% der Einspeisungsbeschickung bei einer Rechenschaft von 95%. Dieses Experiment demonstriert klar, dass Cyclobutanon leicht zu der azeotropen Zusammensetzung konzentriert werden kann, aber dass Cyclobutanon nicht wirksam von Cyclopropancarboxaldehyd fraktioniert werden kann.About 789 kg (1740 pounds) of the aqueous phase (ii) prepared by the step (1) distillation procedure described above was introduced into a 500 gallon (3.8 L) glass-lined reactor equipped with a 6.1 m x 25.4 cm diameter (20 feet x 10 inch diameter) packed column, a reflux divider, a condenser and a receiving vessel. The composition of the initial feed was about 9% cyclobutanone and 0.25% cyclopropanecarboxaldehyde. The reactor vessel was heated with steam and maintained at total reflux until the column head temperature reached about 80°C. The reflux ratio was switched to 6:1 to begin collection of distillate fractions. At a head temperature between 81.2-82ºC, a small distillate foreshot was collected to remove low boilers from the system. The foreshot weighed about 2.9 kg (6.39 lbs) or 0.4% of the initial feed and comprised about 1.9 kg (4.13 lbs) of cyclobutanone. The product fraction was collected at a reflux ratio of 6/1 at a column head temperature between 81.9-85ºC. The product fraction weighed 81.6 kg (180 lbs) and contained 78.5% cyclobutanone, approximately the composition of the cyclobutanone/water azeotrope, and 0.35% cyclopropanecarboxaldehyde. The vessel was cooled and 703.3 kg (1548.5 pounds) of material containing 0.4% cyclobutanone was discharged from the still. Cyclobutanone recovery was 97% of the feed charge at 95% recovery. This experiment clearly demonstrates that cyclobutanone can be easily concentrated to the azeotropic composition, but that cyclobutanone cannot be efficiently fractionated from cyclopropanecarboxaldehyde.
Man ließ die Produktfraktion der oben beschriebenen Schritt (3)-Destillation sich in zwei flüssige Phase auftrennen. Die untere wässrige Schicht [wässrige Phase (ii)], die 19,5 kg (43 engl. Pfund) wog und 18% Cyclobutanon enthielt, wurde aus dem Auffanggefäß abgelassen und für eine Zurückführung aufbewahrt. Die obere organische Schicht [organische Phase (i)], die 62,1 kg (137 engl. Pfund) wog und 94,5% Cyclobutanon und 0,35% Cyclopropancarboxaldehyd enthielt, wurde für die weitere Reinigung aufbewahrt.The product fraction of the step (3) distillation described above was allowed to separate into two liquid phases. The lower aqueous layer [aqueous phase (ii)], weighing 19.5 kg (43 lbs) and containing 18% cyclobutanone, was drained from the receiver and saved for recycle. The upper organic layer [organic phase (i)], weighing 62.1 kg (137 lbs) and containing 94.5% cyclobutanone and 0.35% cyclopropanecarboxaldehyde, was saved for further purification.
Etwa 64,6 kg (142,5 engl. Pfund) der organischen Phase (i), die gemäß den oben beschriebenen Verfahrensweisen hergestellt worden war, wurden in eine 100 l-Glasdestillationsblase eingeführt, die mit einer 1,37 m · 15,2 cm (54 Inch · 6 Inch)-Durchmesser-Kolonne, die mit statistischer 6,35 mm (2,5 Inch) HC-276 Penn State-Packung gepackt war, einem Rückflussteiler, einem Kühler und Auffanggefäßen ausgestattet war. Das Einspeisungsmaterial wurde nicht mit dem fakultativen Aldehyd-Zerstörungsschritt behandelt. Die Destillationsblase wurde mit Dampf geheizt und bei totalem Rückfluss gehalten, bis die Kopftemperatur etwa 81,7ºC erreicht hatte. Das Rückflussverhältnis wurde auf 6/1 umgeschaltet, um mit der Sammlung der ersten Destillatfraktion zu beginnen. Als das Cyclobutanon/Wasser-Azeotrop aus der Blase abdestillierte, blieb die Kopftemperatur bei etwa 82ºC konstant. Als der Wassergehalt in der Säule unter die Azeotrop-Zusammensetzung fiel, begann die Temperatur rasch anzusteigen, wobei sie sich bei etwa 98ºC einpendelte. Diese Fraktion [erstes Destillat (i)] wog 22,7 kg (50 engl. Pfund) an Material, das 80% Cyclobutanon enthielt. Es wurde zur Rückführung in anschließende Schritt 3-Destillationen aufbewahrt.Approximately 64.6 kg (142.5 pounds) of the organic phase (i), prepared according to the procedures described above, was introduced into a 100 L glass still equipped with a 1.37 m x 15.2 cm (54 in. x 6 in.) diameter column packed with 6.35 mm (2.5 in.) HC-276 Penn State random packing, a reflux splitter, a condenser, and receivers. The feed was not treated with the optional aldehyde destruction step. The still was heated with steam and maintained at total reflux until the head temperature reached about 81.7°C. The reflux ratio was switched to 6/1 to begin collection of the first distillate fraction. As the cyclobutanone/water azeotrope distilled from the bubble, the head temperature remained constant at about 82ºC. As the water content in the column fell below the azeotropic composition, the temperature began to rise rapidly, leveling off at about 98ºC. This fraction [first distillate (i)] weighed 22.7 kg (50 pounds) of material containing 80% cyclobutanone. It was saved for recycling in subsequent Step 3 distillations.
An diesem Punkt der Schritt 5-Destillation war das Wasser im Wesentlichen aus der Destillationsapparatur entfernt, und die Produktsammlung begann. Die Destillation wurde fortgesetzt, bis die Bodenummantelungs-Temperatur 143ºC erreichte und die Kopftemperatur nahe 90ºC betrug. Insgesamt etwa 30,8 kg (68 engl. Pfund) Produktfraktion [zweites Destillat (ii)] wurden gesammelt. Die Produktfraktion enthielt 99,17% Cyclobutanon, 0,15% Wasser, 0,57% Cyclopropancarboxaldehyd, 0,04% Butyrolacton ohne nachweisbares Cyclopropanmethanol oder Cyclobutanol. Der Destillationsblasen- Rückstand [Destillationsrückstand (ii)] wog 8,4 kg (18,4 engl. Pfund) und umfasste etwa 0,3% Cyclopropanmethanol, 0,04% Wasser und etwa 5% nicht identifizierte schwere Rückstände. Dieses Material wurde zur Rückführung in die Schritt (3)-Destillation aufbewahrt.At this point in the Step 5 distillation, the water was essentially removed from the distillation apparatus and product collection began. Distillation was continued until the bottom jacket temperature reached 143ºC and the head temperature was near 90ºC. A total of about 30.8 kg (68 pounds) of product fraction [second distillate (ii)] was collected. The product fraction contained 99.17% cyclobutanone, 0.15% water, 0.57% cyclopropanecarboxaldehyde, 0.04% butyrolactone with no detectable cyclopropanemethanol or cyclobutanol. The still bottoms [still bottoms (ii)] weighed 8.4 kg (18.4 lbs) and comprised about 0.3% cyclopropane methanol, 0.04% water and about 5% unidentified heavy residues. This material was saved for recycling to the step (3) distillation.
Eine wässrige Mischung, die 13,2% Cyclobutanon und 0,7% Cyclobutanol enthielt und durch die in Beispielen 1 und 2 beschriebene Schritt (1)-Destillation und Schritt (2)-Trennung erhalten worden war, wurde in einen 2 l-Glasrundkolben eingeführt, der mit einer Vakuum-ummantelten Oldershaw-Kolonne mit 20 Böden und einem Innendurchmesser von 2,5 cm (1 Inch), einem Flüssigkeitsteiler-Kopf, einem Rückfluss-Zeitgeber und einem Kühlwasserkühler ausgestattet war. Die Kolonne wurde im Chargenmodus bei einem Rückflussverhältnis von 6/1 betrieben. Etwa 0,2% der Beschickung der Destillationsblase wurden bei einer Kolonnenkopf-Temperatur von 79-80ºC als Destillat (i) gesammelt, das Niedrigsieder, Wasser und etwas Cyclobutanon umfasste. Die Hauptproduktfraktion [Destillat (ii)] wurde bei einer Kopftemperatur zwischen 81,1ºC und 85ºC gesammelt. Das Destillat (ii) trennte sich in zwei flüssige Phasen mit einer Gesamt-Zusammensetzung von etwa 80% Cyclobutanon, 20% Wasser und weniger als 0,1% Cyclobutanol. Eine End-Destillatfraktion, die bei einer Kopftemperatur von mehr als 85ºC gesammelt wurde, enthielt hohe Konzentrationen an Cyclobutanol, z. B. mehr als 2%, und wurde von der Hauptproduktfraktion getrennt gehalten. Man fand, dass der Destillationsblasen-Rückstand. [Destillationsrückstand (iii)] 0,9% Cyclobutanol und weniger als 1% Cyclobutanon enthielt. Die Gesamtgewinnung an Cyclobutanon in der Hauptproduktfraktion betrug 92%. Dieses Beispiel zeigt, dass Cyclobutanol durch sorgfältige Steuerung der Trennungsstufen, des Rückflussverhältnisses und der Kolonnenkopftemperatur wirksam von Cyclobutanon abgetrennt werden kann.An aqueous mixture containing 13.2% cyclobutanone and 0.7% cyclobutanol obtained by the step (1) distillation and step (2) separation described in Examples 1 and 2 was introduced into a 2 L glass round bottom flask equipped with a vacuum-jacketed 20-plate Oldershaw column with an inner diameter of 2.5 cm (1 inch), a liquid divider head, a reflux timer and a cooling water condenser. The column was operated in batch mode at a reflux ratio of 6/1. About 0.2% of the still feed was collected at a column head temperature of 79-80°C as distillate (i) comprising low boilers, water and some cyclobutanone. The major product fraction [distillate (ii)] was collected at a head temperature between 81.1ºC and 85ºC. The distillate (ii) separated into two liquid phases with an overall composition of about 80% cyclobutanone, 20% water and less than 0.1% cyclobutanol. A final distillate fraction collected at a head temperature greater than 85ºC contained high concentrations of cyclobutanol, e.g. greater than 2%, and was kept separate from the major product fraction. The still bottoms [distillation bottoms (iii)] were found to contain 0.9% cyclobutanol and less than 1% cyclobutanone. The overall recovery of cyclobutanone in the major product fraction was 92%. This example demonstrates that cyclobutanol can be effectively separated from cyclobutanone by carefully controlling the separation stages, reflux ratio and column head temperature.
Die Hauptproduktfraktionen von mehreren Schritt (3)-Destillationen, durchgeführt wie in Beispiel 6, wurden in einen 500 ml-Scheidetrichter gegossen. Die Gesamtmasse betrug 346,65 g. Man ließ die Mischung sich in Phasen auftrennen. Die untere Wasserphase (68,6 g), die etwa 21% Cyclobutanon umfasste, wurde dekantiert und für eine Rückführung aufbewahrt. Die obere organische Phase (265,3 g) umfasste etwa 92% Cyclobutanon und 7,0% Wasser.The major product fractions from several step (3) distillations performed as in Example 6 were poured into a 500 mL separatory funnel. The total mass was 346.65 g. The mixture was allowed to separate into phases. The lower water phase (68.6 g), comprising about 21% cyclobutanone, was decanted and saved for recycle. The upper organic phase (265.3 g) comprised about 92% cyclobutanone and 7.0% water.
Eine Portion, 254,5 g, der in Beispiel 7 erhaltenen organischen Schicht wurde in die Destillationsblase einer Chargen-Destillationsapparatur eingeführt. Die Destillationsapparatur umfasste eine 500 ml-Rundkolben, der mit einer Vakuum-ummantelten Glaskolonne mit einem Innendurchmesser von 2,5 cm (1 Inch) verbunden war, welche mit einem Flüssigkeitsteilerkopf, einem Rückfluss-Zeitgeber, einem Kühlwasserkühler, einem Destillat-Auffangkolben, einer Stickstoffleitung und einer Trockeneis- Kühlfalle ausgestattet war. Die Säule war mit 1 m (40 Inch) 3,2 mm Penn State-Packung gepackt. Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes bei totalem Rückfluss wurde der Rückfluss-Zeitgeber auf 16% Entnahme eingestellt, und man begann mit der Produktsammlung. Eine anfängliche Destillatfraktion [erstes Destillat (i)], die aus 62,4 g Material bestand, wurde gesammelt, während die Destillationskopftemperatur bei etwa 82ºC konstant blieb. Dieses Material trennte sich in dem Auffangkolben in zwei flüssige Phasen auf, und man fand durch Gaschromatographie, dass es im Wesentlichen die Zusammensetzung des Wasser/Cyclobutanon-Azeotrops (etwa 80% Cyclobutanon in den vereinigten wässrigen und organischen Schichten) aufwies. An diesem Punkt stieg die Kolonnenkopf- Temperatur steil auf etwa 96,5ºC an, als das verbleibende Wasser aus der Destillationsblase azeotrop entfernt wurde. Anfänglich bildete der Destillatauffänger zwei flüssige Phasen, aber am Ende des Sammelns der zweiten Fraktion kehrte das Destillat zu einer flüssigen Phase zurück. Insgesamt 34,5 g wurden als zweite Fraktion gesammelt. Die zweite Fraktion enthielt etwa 5,7% Wasser. Eine dritte Fraktion, 90,54 g, wurde gesammelt, während die Kopftemperatur bei 96,5 bis 96,7ºC blieb. Man fand, dass diese Produktfraktion [Destillat (ii)] 99,95% Cyclobutanon und 0,05% Wasser mittels Gaschromatographie und Spurenmengen von Cyclobutanol mittels GC-Massenspektroskopie umfasste. Es wurden keine anderen Verunreinigungen identifiziert. Man ließ die Kolonne abkühlen, und der Rückstand in der Destillationsblase wurde für die Analyse gesammelt. Der Rückstand [Destillationsrückstand (iii)] wog 37 g und umfasste etwa 96% Cyclobutanon, 1% Cyclobutanol und nicht quantitativ bestimmte Konzentrationen an Ketalen, Ethern und anderen hochsiedenden Verbindungen.A portion, 254.5 g, of the organic layer obtained in Example 7 was introduced into the still of a batch distillation apparatus. The distillation apparatus comprised a 500 mL round bottom flask connected to a 2.5 cm (1 inch) inner diameter vacuum-jacketed glass column equipped with a liquid divider head, reflux timer, cooling water condenser, distillate receiver flask, nitrogen line, and dry ice trap. The column was packed with 1 m (40 inches) of 3.2 mm Penn State packing. After equilibrium at total reflux was reached, the reflux timer was set to 16% withdrawal and product collection began. An initial distillate fraction [first distillate (i)] consisting of 62.4 g of material was collected while the distillation head temperature remained constant at about 82°C. This material separated into two liquid phases in the receiver flask and was found by gas chromatography to have essentially the composition of the water/cyclobutanone azeotrope (about 80% cyclobutanone in the combined aqueous and organic layers). At this point the column head temperature rose sharply to about 96.5°C as the remaining water was azeotropically removed from the still. Initially the distillate receiver formed two liquid phases, but by the end of collecting the second fraction the distillate returned to one liquid phase. A total of 34.5 g was collected as the second fraction. The second fraction contained about 5.7% water. A third fraction, 90.54 g, was collected while the head temperature remained at 96.5-96.7ºC. This product fraction [distillate (ii)] was found to comprise 99.95% cyclobutanone and 0.05% water by gas chromatography and trace amounts of cyclobutanol by GC-mass spectroscopy. No other impurities were identified. The column was allowed to cool and the residue in the still was collected for analysis. The residue [distillation residue (iii)] weighed 37 g and comprised approximately 96% cyclobutanone, 1% cyclobutanol and unquantified concentrations of ketals, ethers and other high boiling compounds.
Eine 350 g-Probe der organischen Schicht aus Beispiel 4, die etwa 88% Cyclobutanon (CBON) und 0,56% Cyclopropancarboxaldehyd (CPCA) enthielt, wurde mit 1,75 g Diethanolamin (DEA) in einem ummantelten Glasrundkolben gemischt. Der Inhalt des Kolbens wurde unter Rühren und einer inerten Stickstoffatmosphäre auf 50ºC erwärmt. Nach einer Reaktionszeitspanne bei dieser Temperatur von 7,5 Stunden wurde dem Material eine Probe entnommen, und das Erwärmen wurde zusätzliche 15 Stunden fortgesetzt. Die GC-Analyse des Materials zu diesem Zeitpunkt zeigte an, dass 87,5% des CPCA in hochsiedende Aldehyd-Kondensationsoligomere umgewandelt und mehr als 96,9% des anfänglichen CBON intakt geblieben waren. Der Kolben wurde auf 15-20ºC gekühlt, und 3,5 g Amberlyst 15-Ionenaustauscherharz in Wasserstoff-Form wurden unter Rühren dazugegeben. Das Material wurde 4 Stunden bei 15-20ºC gehalten, dann filtriert, um das Harz zu entfernen. Als 1 ml der filtrierten Flüssigkeit 24 Stunden bei 90ºC gehalten wurde, wurde sehr wenig Cyclobutan verloren, was anzeigte, dass praktisch das ganze DEA durch die Harzbehandlung entfernt worden war.A 350 g sample of the organic layer from Example 4, containing approximately 88% cyclobutanone (CBON) and 0.56% cyclopropanecarboxaldehyde (CPCA), was mixed with 1.75 g of diethanolamine (DEA) in a jacketed glass round bottom flask. The contents of the flask were heated to 50°C with stirring and an inert nitrogen atmosphere. After a reaction period at this temperature of 7.5 hours, the material was sampled and heating was continued for an additional 15 hours. GC analysis of the material at this time indicated that 87.5% of the CPCA had been converted to high boiling aldehyde condensation oligomers and greater than 96.9% of the initial CBON remained intact. The flask was cooled to 15-20ºC and 3.5 g of Amberlyst 15 ion exchange resin in hydrogen form was added with stirring. The material was kept at 15-20ºC for 4 hours then filtered to remove the resin. When 1 ml of the filtered liquid reached 24 When kept at 90ºC for 12 hours, very little cyclobutane was lost, indicating that virtually all of the DEA had been removed by the resin treatment.
Eine 100 g-Probe der organischen Schicht aus Beispiel 4, die etwa 88% Cyclobutanon (CBON) und 0,56% Cyclopropancarboxaldehyd (CPCA) enthielt, wurde mit 0,51 g Diethanolamin (DEA) in einem ummantelten Glasrundkolben gemischt. Der Kolben wurde unter einer inerten Stickstoffatmosphäre 7,5 Stunden bei 60ºC gehalten. Es wurde eine Probe des Materials entnommen, dann kühlte man auf 50ºC ab und hielt weitere 14,5 Stunden. Eine zweite Probe wurde entnommen, und der Kolben wurde weitere 24,5 Stunden bei 50ºC gehalten. Die GC-Analyse des Materials zu diesem Zeitpunkt zeigte, dass 100% des CPCA in höher siedende Aldehyd-Kondensationsoligomere umgewandelt worden waren. Mehr als 91% des anfänglichen CBON blieben intakt. Der Kolben wurde auf 34ºC abgekühlt, und 1,0 g Amberlyst 15-Ionenaustauscherharz in Wasserstoff-Form wurden unter Rühren dazugegeben. Das Material wurde 6,5 Stunden bei 28ºC gehalten, dann filtriert, um das Harz zu entfernen. Der Kolben wurde dann auf 60ºC erwärmt und weitere 15 Stunden bei dieser Temperatur gehalten, um die Stabilität des CBON bei höheren Temperaturen zu überprüfen. Die GC-Analyse zeigte keine Abnahme der Cyclobutanon- Konzentration während der End-Haltezeitspanne, was anzeigte, dass praktisch das ganze DEA durch die Harzbehandlung entfernt worden war.A 100 g sample of the organic layer from Example 4, containing about 88% cyclobutanone (CBON) and 0.56% cyclopropanecarboxaldehyde (CPCA), was mixed with 0.51 g diethanolamine (DEA) in a jacketed glass round bottom flask. The flask was held at 60°C under an inert nitrogen atmosphere for 7.5 hours. A sample of the material was removed, then cooled to 50°C and held for an additional 14.5 hours. A second sample was removed and the flask was held at 50°C for an additional 24.5 hours. GC analysis of the material at this time showed that 100% of the CPCA had been converted to higher boiling aldehyde condensation oligomers. Greater than 91% of the initial CBON remained intact. The flask was cooled to 34ºC and 1.0 g of Amberlyst 15 ion exchange resin in hydrogen form was added with stirring. The material was held at 28ºC for 6.5 hours then filtered to remove the resin. The flask was then heated to 60ºC and held at that temperature for an additional 15 hours to check the stability of the CBON at higher temperatures. GC analysis showed no decrease in cyclobutanone concentration during the final hold period, indicating that virtually all of the DEA had been removed by the resin treatment.
Eine 1 ml-Probe der organischen Schicht aus Beispiel 4 wurde bei 60ºC in einem geschlossenen 7,4 ml- (0,25 Unzen-) Glasfläschchen mit Luft, die im Dampfraum anwesend war, gerührt. Nach 16, 54,5 und 79,5 Stunden bei 60ºC wurde dem Material eine Probe entnommen und analysiert. Die Menge an CPCA und CBON, die in jeder Probe vorlag, war: A 1 mL sample of the organic layer from Example 4 was stirred at 60°C in a 7.4 mL (0.25 ounce) sealed glass vial with air present in the headspace. After 16, 54.5, and 79.5 hours at 60°C, the material was sampled and analyzed. The amount of CPCA and CBON present in each sample was:
Dieses Beispiel zeigt, dass Luftoxidation unter milden Bedingungen ein wirksames Verfahren der Zerstörung der Aldehyde mit wenig Verlust an Cyclobutanon-Produkt ist. Auf der Basis von reinem Cyclobutanon wurde die CPCA-Konzentration von 0,37 Gew.-% auf 0,043 Gew.-% verringert, was gut innerhalb der bevorzugten Aldehyd-Spezifikationen liegt.This example demonstrates that air oxidation under mild conditions is an effective method of destroying the aldehydes with little loss of cyclobutanone product. On a pure cyclobutanone basis, the CPCA concentration was reduced from 0.37 wt% to 0.043 wt%, which is well within the preferred aldehyde specifications.
Cyclobutanon (100 ml) mit einer GC-Analyse von > 99% Cyclobutanon und 0,57% CPA wurde mit destilliertem Wasser gemischt und sich in zwei flüssige Phasen auftrennen gelassen. Die organische Schicht umfasste 94,5% Cyclobutanon, 5,86% Wasser und 0,49% Cyclopropylcarboxaldehyd. Nach Dekantieren wurde etwa 1 ml Diisopropylamin zu der organischen Schicht gegeben. Die Mischung wurde auf 60ºC erwärmt, bei dieser Temperatur gehalten, und Proben wurden nach 2-, 6,7- und 28,7- stündigem Erwärmen bei 60ºC entnommen und analysiert. Die Menge an CPCA und CBON, die in jeder Probe vorhanden war, betrug: Cyclobutanone (100 mL) with a GC analysis of > 99% cyclobutanone and 0.57% CPA was mixed with distilled water and allowed to separate into two liquid phases. The organic layer comprised 94.5% cyclobutanone, 5.86% water and 0.49% cyclopropylcarboxaldehyde. After decantation, approximately 1 mL of diisopropylamine was added to the organic layer. The mixture was heated to 60ºC, maintained at this temperature, and samples were taken and analyzed after 2, 6.7 and 28.7 hours of heating at 60ºC. The amount of CPCA and CBON present in each sample was:
Die Verwendung von Diisopropylamin hatte eine wesentliche Zerstörung des CPCA bei mäßigen Verlusten an Cyclobutanon zur Folge.The use of diisopropylamine resulted in significant destruction of CPCA with moderate losses of cyclobutanone.
Eine organische Produktfraktion, die wie in Beispiel 4 beschrieben hergestellt worden war, wurde mit einer organischen Destillatschicht gemischt, die wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt worden war. Etwa 37 kg dieses Materials, das 0,55% CPCA und > 85% Cyclobutanon enthielt, wurden in einem ummantelten 22 l-Glasgefäß mit 185 g Diethanolamin gemischt und 23 Stunden bei 50ºC gerührt. Die Mischung wurde auf 20ºC abgekühlt, und 370 g Amberlyst 15-Ionenaustauscherharz in Wasserstoff-Form wurden dazugegeben. Die Mischung wurde 4 Stunden gerührt, dann durch ein 0,45 um-Filter filtriert. Man fand durch GC-Analyse, dass die CPCA-Konzentration im Filtrat weniger als 0,05% betrug, wobei 95% des anfänglichen Cyclobutanons intakt geblieben waren.An organic product fraction prepared as described in Example 4 was mixed with an organic distillate layer prepared as described in Example 2. Approximately 37 kg of this material, containing 0.55% CPCA and >85% cyclobutanone, was mixed with 185 g of diethanolamine in a 22 L jacketed glass vessel and stirred at 50°C for 23 hours. The mixture was cooled to 20°C and 370 g of Amberlyst 15 ion exchange resin in hydrogen form was added. The mixture was stirred for 4 hours then filtered through a 0.45 µm filter. The CPCA concentration in the filtrate was found by GC analysis to be less than 0.05% with 95% of the initial cyclobutanone remaining intact.
Das in Beispiel 13 hergestellte, gereinigte Material wurde unter Verwendung des Verfahrens und der Ausrüstung, die in Beispiel 5 beschrieben wurden, destilliert. Die Produktfraktion, die 34,7 kg wog, wurde mittels GC analysiert, und man fand, dass sie 99,73% Cyclobutanon, 0,1% Wasser, weniger als 0,05% Cyclopropancarboxaldehyd und kein nachweisbares Cyclobutanol oder Cyclopropanmethanol enthielt.The purified material prepared in Example 13 was distilled using the procedure and equipment described in Example 5. The product fraction, weighing 34.7 kg, was analyzed by GC and found to contain 99.73% cyclobutanone, 0.1% water, less than 0.05% cyclopropanecarboxaldehyde, and no detectable cyclobutanol or cyclopropanemethanol.
Dieses Beispiel demonstriert die Verwendung eines inerten Azeotrop-bildenden Lösungsmittels in der End-Entwässerung und -Reinigung des Cyclobutanons. Eine organische Phase (271,6 g), die durch das in Beispiel 7 beschriebene Verfahren erhalten worden war, wurde zusammen mit 831,8 g Methyl-tert- butylether (MTBE) in eine 2 l-Destillationsblase einer Chargen-Destillationsapparatur eingeführt. Die Destillationsapparatur bestand aus einer Vakuum-ummantelten Glaskolonne mit einem Innendurchmesser von 2,54 cm (1 Inch), die mit 1 m (40 Inch) 3,2 mm (1/8 Inch) Penn State-Packung gepackt war. Die Kolonne war mit einem Flüssigkeitsteilerkopf, einem Rückfluss-Zeitgeber, einem Kühlwasserkühler, einem Destillataufnahmekolben, einem elektrischen Heizmantel, einer Stickstoffleitung und einer Trockeneis- Kühlfalle ausgestattet. Nachdem ein stationäres Siedegleichgewicht bei totalem Rückfluss erreicht worden war, wurde der Rückfluss-Zeitgeber auf 20% Entnahme eingestellt, und man begann mit der Destillatsammlung. Ein anfängliche Destillatfraktion wurde bei einer Kolonnenkopftemperatur von 50,6ºC bis 51,9ºC gesammelt. Dieses Material trennte sich in dem Aufnahmekolben in zwei flüssige Phasen, und man fand durch Gaschromatographie, dass es eine Zusammensetzung von im Wesentlichen dem Wasser/MTBE-Azeotrop, etwa insgesamt 3% Wasser, aufwies. Als der Wassergehalt der Destillationsapparatur unter die azeotrope Zusammensetzung fiel, stieg die Kopftemperatur allmählich auf 54ºC an, während nahezu reines MTBE am Kopf abgezogen wurde. Die Kolonnenkopftemperatur stieg rasch auf 95,8-96,8ºC an, als die letzten Spuren von MTBE aus der Blase abdestilliert wurden. Als sich die Temperatur bei 96,8ºC stabilisiert hatte, wurde die Produktfraktion gesammelt. Die Destillation wurde beendet, als der Blaseninhalt auf etwa 50 g verringert war und der Pegel gut unterhalb des Thermoelements in der Destillationsblase lag. Die durchschnittliche Reinheit der Produktfraktion betrug 99,8% Cyclobutanon, < 0,03% MTBE und < 0,1% Wasser. Der Blaserückstand betrug 99,7 Gew.-% Cyclobutanon.This example demonstrates the use of an inert azeotrope-forming solvent in the final dehydration and purification of the cyclobutanone. An organic phase (271.6 g) obtained by the procedure described in Example 7 was introduced into a 2 L still of a batch distillation apparatus along with 831.8 g of methyl tert-butyl ether (MTBE). The distillation apparatus consisted of a 2.54 cm (1 inch) i.d. vacuum-jacketed glass column packed with 1 m (40 inches) of 3.2 mm (1/8 inch) Penn State packing. The column was equipped with a liquid divider head, a reflux timer, a cooling water condenser, a distillate receiving flask, an electric heating mantle, a nitrogen line, and a dry ice cold trap. After a steady state boiling equilibrium was reached at total reflux, the reflux timer was set to 20% withdrawal and distillate collection was started. An initial distillate fraction was collected at a column head temperature of 50.6ºC to 51.9ºC. This material separated into two liquid phases in the receiving flask and was found by gas chromatography to have a composition of essentially the water/MTBE azeotrope, about 3% water total. As the water content of the still fell below the azeotropic composition, the head temperature gradually rose to 54ºC as nearly pure MTBE was withdrawn from the head. The column head temperature rose rapidly to 95.8-96.8ºC as the last traces of MTBE were distilled from the pot. When the temperature stabilized at 96.8ºC, the product fraction was collected. Distillation was terminated when the pot contents were reduced to about 50 g and the level was well below the thermocouple in the still. The average purity of the product fraction was 99.8% cyclobutanone, < 0.03% MTBE and < 0.1% water. The bubble residue was 99.7 wt.% cyclobutanone.
Dieses Beispiel erläutert den Betrieb der Destillationen der Stufe III und Stufe IV unter Verwendung von Druckunterschieden. Es wurde ein Verfahrenssimulator verwendet, um ein Modell für eine kontinuierliche Zweikolonnen-Destillationsreihenfolge mit Druckunterschied aufzustellen. Die Destillation des Schritts III wurde als Kolonne simuliert, die aus 30 theoretischen Stufen bestand, mit 15 Stufen oberhalb des Einspeisungspunkts, und bei 1034 Torr (0,138 MPa) mit einem Rückflussverhältnis von 3 betrieben wurde. Die Destillation des Schritts N wurde als Kolonne simuliert, die aus 20 theoretischen Stufen bestand, mit 7 Stufen oberhalb des Einspeisungspunktes, und bei 5170 Torr (0,69 MPa) bei einem Rückflussverhältnis von 2,5 betrieben wurde. Die frische Einspeisung in die erste Kolonne wurde mit einer Rate von 200 kg-Mol pro Stunde mit einer wie in Tabelle II angegebenen Zusammensetzung eingespeist. Das Destillat aus der Destillationskolonne des Schritts N wurde in die Einspeisung der Destillationskolonne des Schritts III zurückgeführt, während das Destillat der Destillationskolonne des Schritts III in die Destillationskolonne des Schritts N eingespeist wurde. Wasser und Cyclobutanol wurden aus dem Boden der Kolonne als Kolonnenunterlauf aus der Destillationskolonne des Schritts III und das Cyclobutanon- Produkt als Kolonnenunterlauf aus der Destillationskolonne des Schritts IV entfernt. Die Ergebnisse der Simulation sind in Tabelle II angegeben, worin die molaren Ströme kg-Mol/Stunde sind und das Destillat des Schritts N in den Schritt III zurückgeführt wird. TABELLE II This example illustrates the operation of Stage III and Stage IV distillations using pressure differentials. A process simulator was used to model a continuous two-column pressure differential distillation sequence. The Stage III distillation was simulated as a column consisting of 30 theoretical stages, with 15 stages above the feed point, operating at 1034 Torr (0.138 MPa) with a reflux ratio of 3. The Stage N distillation was simulated as a column consisting of 20 theoretical stages, with 7 stages above the feed point, operating at 5170 Torr (0.69 MPa) with a reflux ratio of 2.5. The fresh feed to the first column was fed at a rate of 200 kg-moles per hour with a composition as shown in Table II. The distillate from the step N distillation column was recycled to the feed of the step III distillation column, while the distillate from the step III distillation column was fed to the step N distillation column. Water and cyclobutanol were removed from the bottom of the column as column underflow from the step III distillation column and the cyclobutanone product was removed as column underflow from the step IV distillation column. The results of the simulation are given in Table II, where the molar flows are kg-mol/hour and the step N distillate is recycled to step III. TABLE II
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